Geotermálne vykurovanie domu: Kompletný sprievodca využitím tepla zo zeme

Zem je obrovským, takmer nevyčerpateľným zásobníkom tepla a zároveň jedným z najdôležitejších zdrojov tepla. Od určitej hĺbky má zem základnú teplotu približne desať stupňov Celzia. V porovnaní s okolitým vzduchom je táto teplota veľmi stála. Geotermálne vykurovanie je technológia, ktorá využíva teplo uložené v zemskej kôre na efektívne vykurovanie budov. Tento systém využíva stabilnú teplotu zeme na poskytovanie tepla, čím sa minimalizujú náklady na energiu a znižuje sa environmentálny dopad.

Geotermálna energia je obnoviteľný zdroj energie pochádzajúci z tepla, ktoré sa vytvára a ukladá pod zemským povrchom. Tieto systémy využívajúce prirodzenú termálnu energiu zeme predstavujú účinné, udržateľné a dlhodobé riešenie na reguláciu klímy v interiéri. S narastajúcim dopytom po riešeniach na obnoviteľnú energiu sa geotermálne tepelné čerpadlá ukazujú ako mimoriadne účinný spôsob vykurovania, chladenia a ohrevu vody v domácnosti. Vykurovanie pomocou ekologickej energie je čoraz populárnejšie, čo potvrdzujú aj štatistiky, ktoré ukazujú, že čoraz viac ľudí si chce kúpiť tepelné čerpadlo.

Princíp fungovania geotermálneho vykurovania

Geotermálne vykurovanie funguje na princípe využívania tepla zo zeme na vykurovanie budov. Tak ako všetky ostatné tepelné čerpadlá, aj tepelné čerpadlo zem/voda funguje na rovnakom princípe: najprv sa tepelná energia získa zo zeme a potom sa prenesie do chladiva. Chladivo sa odparí a dodatočne stlačí pomocou kompresora, čím sa zvýši nielen jeho tlak, ale aj teplota. Vzniknuté teplo sa absorbuje vo výmenníku tepla (kondenzátore) a odovzdáva sa do vykurovacieho systému.

Geotermálne tepelné čerpadlá využívajú stabilnú teplotu pod povrchom zeme na zabezpečenie vykurovania, chladenia a ohrevu vody pre domácnosti a budovy. Oproti tradičným systémom vykurovania, vetrania a klimatizácie, ktoré sa spoliehajú na meniace sa teploty vzduchu, geotermálne tepelné čerpadlá získavajú teplo zo zeme v zime a v lete ho do nej znovu uvoľňujú. Súčasťou tejto technológie je výmenník tepla, ktorý umožňuje výmenu tepla medzi zemou a budovou.

Prevádzka geotermálneho tepelného čerpadla je založená na odoberaní tepla zo zeme pomocou súpravy podzemného potrubia nazývaného aj pozemné kolektory. Tieto kolektory naplnené vodou alebo nemrznúcim roztokom absorbujú stálu teplotu zeme, ktorá sa počas roka pohybuje v rozmedzí od 5 do 15 °C, a prenesú ho do tepelného čerpadla v budove. V zime systém absorbuje teplo zo zeme a prenesie ho do budovy. V lete sa proces obráti a systém odoberá teplo z budovy a rozptýli ho do zeme. Vďaka tomuto účinnému prenosu tepla sú geotermálne systémy menej energeticky náročné než tepelné čerpadlá využívajúce vzduch, ktoré musia bojovať s výkyvmi vonkajšej teploty, a ďaleko účinnejšie ako systémy na fosílne palivá.

Princíp tepelného čerpadla funguje na podobnom princípe ako v chladničke, ale v opačnom smere. Získané teplo sa prenáša do vykurovacieho systému budovy, čo môže byť podlahové vykurovanie, radiátory, alebo iný typ vykurovania. Nízko-teplotné vykurovacie systémy sú najefektívnejšie, keď sa používajú s podlahovým vykurovaním. Po odovzdaní tepla v budove sa ochladená kvapalina vracia späť do zeme alebo do vodného zdroja, aby znovu absorbovala teplo. Geotermálny systém funguje v uzavretom cykle, čo znamená, že kvapalina neustále cirkuluje a znovu a znovu absorbuje teplo zo zeme alebo vody.

Typy geotermálnych systémov

Geotermálne teplo možno prostredníctvom tepelného čerpadla so zemným zdrojom získavať v zásade dvoma spôsobmi: buď prostredníctvom geotermálnych kolektorov, ktoré sú položené blízko povrchu, alebo prostredníctvom geotermálnych sond, ktoré preniknú až 100 metrov hlboko do zeme.

Geotermálne kolektory (zemné slučky)

• Na získavanie geotermálneho tepla sa systém potrubí kladie vodorovne a hadovito pod líniu mrazu. Hĺbka je približne jeden až dva metre pod povrchom trávnika alebo pôdy.
• Geotermálne kolektory absorbujú tepelnú energiu z blízkosti povrchu. Energiu dodáva slnečné žiarenie a dažďová voda.
• Stav pôdy zohráva rozhodujúcu úlohu pri energetickom výnose kolektorov. Je dôležité, aby plocha nad potrubným systémom nebola vyasfaltovaná alebo zastavaná.
• Veľkosť potrebnej plochy kolektora závisí okrem iného od potreby tepla danej budovy. V praxi je to 1,5 až 2-násobok plochy, ktorú treba vykurovať.
• Horizontálne kolektory sa inštalujú do plytkých výkopov a sú vhodné pre pozemky s dostatkom priestoru. Geotermálne kolektory pre tepelné čerpadlá zem/voda získavajú teplo z blízkosti povrchu a môžu sa inštalovať bez povolenia.

Geotermálne sondy

• Alternatívou geotermálnych kolektorov sú sondy. Pomocou vrtov sa geotermálne sondy zapustia vertikálne alebo pod uhlom do zeme.
• Preteká cez ne aj soľanka, ktorá absorbuje geotermálne teplo v hĺbke 40 až 100 metrov a odovzdáva ho ďalej do výmenníka tepla.
• Od hĺbky približne desať metrov zostáva teplota po celý rok konštantná, takže geotermálne sondy účinne fungujú aj pri veľmi nízkych vonkajších teplotách.
• V porovnaní s geotermálnymi kolektormi si vyžadujú aj málo miesta a v lete sa môžu používať aj na chladenie.
• Hĺbka vrtu závisí aj od potreby tepla a tepelnej vodivosti pôdy. Vertikálne vrty sa zavŕtavajú hlboko do zeme a sú ideálne pre malé pozemky alebo oblasti s tvrdou pôdou.
• Geotermálne sondy pre tepelné čerpadlá zem/voda získavajú teplo z hĺbky až 100 metrov.

Systémy využívajúce vodné zdroje

• Niekedy sa namiesto zeme používajú vodné zdroje, ako sú jazerá, rieky alebo podzemné vody. Potrubia môžu byť ponorené do týchto zdrojov, kde kvapalina absorbuje teplo priamo z vody.
• Tento systém využíva vodné zdroje ako sú rybníky alebo potoky, kde sa teplo získava z povrchových vodných telies.
• Systémy s otvoreným okruhom využívajú podzemnú vodu priamo ako zdroj alebo zásobník tepla, vďaka čomu dosahujú veľmi vysokú účinnosť, avšak ich nasadenie závisí od dostupnosti vody.

Geotermálna energia môže mať rôznu formu, môže byť hlbinná alebo plytká, s vysokou alebo nižšou teplotou a môže sa využívať na výrobu elektriny alebo tepla, ale vždy má spoločné to, že je k dispozícii nepretržite 24 hodín denne. Keďže pochádza zo zemskej kôry, ide o obnoviteľný zdroj, ktorý nie je závislý od počasia ani ročného obdobia. Geotermálny teplotný gradient závisí od hĺbky a miesta vrtu. Na niektorých miestach, napríklad na Islande, môžu byť teploty blízko povrchu vyššie. V Holandsku čerpajú geotermálne teplárne teplú vodu z hĺbky najmenej 500 metrov.

Každý vrt je jedinečný a jeho hĺbka sa mení v závislosti od miesta a podmienok. Pri plytkých geotermálnych vrtoch sa dosahuje taká teplota, ktorá sa nedá priamo využiť - preto sa absorbované teplo v plytkom geotermálnom vrte využíva spolu s tepelnými čerpadlami, ktoré zvyšujú teplotu na užitočnejšiu úroveň pre účely vykurovania. Teplota geotermálnej vody z hlbinných geotermálnych vrtov môže byť dostatočne vysoká, aby sa dala využiť priamo, môžeme však aj zvýšiť jej potenciál pomocou tepelných čerpadiel. Hlbinné geotermálne systémy vo všeobecnosti pracujú v hĺbkach od približne päťsto metrov do niekoľkých kilometrov pod povrchom.

Výhody geotermálneho vykurovania

Existuje mnoho spôsobov, ako spojiť dobré s dobrým. Jedným z nich je prevádzka tepelného čerpadla zem/voda. Vďaka využívaniu geotermálnej energie je tepelné čerpadlo zem/voda účinným spôsobom vykurovania. Okrem atraktívnych dotačných programov od štátu sú výhody tepelného čerpadla zem/voda početné.

Ekonomické úspory a nezávislosť

• Jednou z hlavných výhod čerpadla zem/voda je skutočnosť, že zdroj tepla je k dispozícii prakticky zadarmo. Jediná energia, ktorú musíte zakúpiť, je energia na napájanie kompresora. Tu je ideálna kombinácia s fotovoltickým systémom, aby ste mohli slnečné žiarenie premieňať na elektrickú energiu.
• Takmer nekonečný zdroj tepla tiež pomáha zabezpečiť, aby cena surovín nepodliehala hospodárskym alebo politickým výkyvom. Majitelia systémov sú tak výrazne menej závislí od dodávateľov palív.
• Geotermálne systémy radikálne znižujú účty za energiu tým, že namiesto generovania tepla spaľovaním odoberajú obnoviteľné teplo zo zeme. Potenciálne úspory môžu dosiahnuť 20 až 60 % nákladov na vykurovanie a chladenie.
• Vďaka využívaniu konštantnej teploty zeme pod povrchom počas celého roka, spotrebujú geotermálne systémy oveľa menej elektrickej energie než tradičné vykurovacie systémy.
• Geotermálne vykurovacie systémy sú známe svojou vysokou energetickou účinnosťou. Tepelné čerpadlá využívajúce geotermálnu energiu bežne dosahujú Sezónny faktor účinnosti (Seasonal Coefficient of Performance, SCOP) 3 až 4. To znamená, že na každú jednotku spotrebovanej elektriny systém vyprodukuje 3 až 4 jednotky energie v podobe tepla alebo chladu, pretože teplo nevyrábajú, ale presúvajú.
• Počas 15- až 20-ročnej životnosti čerpadla úspory na účtoch za energiu ďaleko prevýšia vyššie počiatočné náklady na jeho inštaláciu.

Environmentálna šetrnosť

• Okrem ekonomických výhod existuje mnoho ekologických dôvodov na prevádzku tepelného čerpadla so zemným zdrojom. Energia potrebná na vykurovanie je šetrná ku klíme a k dispozícii priamo pod vaším pozemkom. Úplne sa eliminujú dlhé a na CO₂ náročné dopravné trasy.
• Využívanie geotermálnej energie znamená zníženie škodlivých emisií CO₂. Geotermálne systémy neprodukujú pri prevádzke žiadne priame emisie skleníkových plynov, čím sa znižuje uhlíková stopa budov. V porovnaní s vykurovacími systémami na zemný plyn alebo naftu dokážu znížiť emisie CO₂ až o 90 %.
• Vykurovanie s nízkou produkciou CO2 je kľúčom k udržateľnému rozvoju. Viac ako štvrtina všetkých emisií CO2 v Európe pochádza z vykurovania, osvetlenia a spotrebičov, ktoré využívame v našich domovoch, pričom 80 % emisií tvorených domácnosťami pripadá na vykurovanie a ohrev vody.
• Použitie tepelných čerpadiel ako nekonečného obnoviteľného zdroja energie pre všetky domácnosti by malo byť zvažované už v najranejšej fáze návrhu.
• Tým, že geotermálne systémy využívajú obnoviteľné teplo zo zeme, znižujú závislosť na neobnoviteľných zdrojoch energie a prispievajú k energetickej bezpečnosti a udržateľnosti.

Dlhá životnosť a spoľahlivosť

• Investícia do zemného tepelného čerpadla znamená aj investíciu do budúcnosti. Geotermálne kolektory a sondy majú totiž veľmi dlhú životnosť, môžu vydržať viac ako 50 rokov. Vnútorné komponenty, napríklad tepelné čerpadlo, vydržia bežne 15 až 20 rokov.
• Zariadenia sú tiež mimoriadne nenáročné na údržbu, pretože sa inštaluje len niekoľko pohyblivých komponentov. Spoľahlivosť systému je vysoká vďaka menšiemu počtu pohyblivých častí než tradičné systémy, čo znamená nižšiu pravdepodobnosť mechanických problémov a porúch.
• Geotermálne tepelné čerpadlo vyžaduje pravidelnú údržbu, aby sa zabezpečila jeho efektívna prevádzka a dlhá životnosť.

Možnosť chladenia

V teplejších letných mesiacoch možno tepelné čerpadlo zem/voda použiť aj na temperovanie. Pri tejto funkcii sa teplo z miestnosti odovzdáva do systému geotermálnej sondy prostredníctvom podlahového vykurovania. Zem potom toto teplo akumuluje, aby sa mohlo využiť v nasledujúcom vykurovacom období. V tomto režime je v prevádzke len obehové čerpadlo a riadiaca jednotka, vďaka čomu je prirodzené chladenie energeticky úspornou a nákladovo efektívnou metódou chladenia budov.

V porovnaní s geotermálnymi kolektormi si geotermálne sondy vyžadujú málo miesta a v lete sa môžu používať aj na chladenie. Pri chladení proces pracuje obrátene: tepelné čerpadlo odoberá teplo z domu a ukladá ho do zemného vrtu, čím zaisťuje chladenie. Vďaka nízkej teplote v hlbších vrstvách podloží zeme má nemrznúca kvapalina vo vnútri vrtu taktiež nízku teplotu a tým je možné pomocou nej chladiť obydlie s nákladmi rovnajúcimi sa spotrebe niekoľkých žiaroviek. V prípade nutnosti vyššieho chladiaceho výkonu, alebo nižších chladiacich teplôt je možné využiť aktívne chladenie, pri ktorom je (na rozdiel od pasívneho chladenia) v prevádzke kompresor. Pripojením chladiaceho modulu k tepelnému čerpadlu získate kompletný systém pre tepelný komfort, ktorý Vám zaistí v interiéri príjemnú klímu po celý rok.

Inštalácia geotermálneho systému

Proces inštalácie geotermálneho systému zahŕňa niekoľko kľúčových krokov, ktoré zabezpečia jeho efektívnu prevádzku a dlhú životnosť:

1. Posúdenie miesta: Detailné vyhodnotenie nárokov na vykurovanie a chladenie príslušnej nehnuteľnosti, stavu pôdy a dostupného priestoru.
2. Návrh systému: Určenie vhodného typu systému (s uzavretým alebo otvoreným okruhom) a konfigurácie (horizontálna alebo vertikálna).
3. Vŕtanie a inštalácia kolektorov: Do zeme sa nainštalujú zemné kolektory. Vertikálne systémy vyžadujú vŕtanie do veľkej hĺbky, kým horizontálne systémy vyžadujú prípravu výkopov.
4. Inštalácia tepelného čerpadla: Vnútorné tepelné čerpadlo sa pripojí k systému zemného kolektora a potrubiu budovy.
5. Testovanie a uvedenie do prevádzky: Po inštalácii sa systém testuje, aby sa zabezpečilo, že všetko funguje správne a spĺňa nároky na vykurovanie a chladenie budovy.

Dĺžka inštalácie geotermálneho systému závisí od veľkosti projektu a typu systému.

Dôležité aspekty a počiatočné náklady

Počiatočné náklady domácností na geotermálny systém sa pohybujú v rozmedzí od 15 000 do 30 000 €. Je to síce viac ako pri tradičných systémoch HVAC, avšak tieto náklady môžu majiteľom vykompenzovať štátne dotácie a dlhodobé úspory na účtoch za energiu. Aj keď môže majiteľov nehnuteľností odradiť vyššia počiatočná investícia, tá sa im v priebehu času vráti. Geotermálne systémy možno prispôsobiť rôznym typom nehnuteľností a geografických podmienok.

Avšak, systémy s horizontálnymi kolektormi vyžadujú veľkú plochu pozemku, takže nemusia byť vhodné pre všetky nehnuteľnosti. Inštaláciu môžu skomplikovať faktory ako skalnatá pôda či obmedzený prístup k podzemnej vode. Geotermálna voda môže obsahovať vysoké množstvo chloridov a iných nečistôt, môže sa v nej tvoriť vodný kameň a usadeniny, čím sa znižuje výkonnosť technologických zariadení. Preto je dôležité vybrať si kvalitné zariadenie a dodávateľa schopného preukázať silnú kapacitu v oblasti popredajných služieb a pripravenosti na núdzové situácie. Pred investíciou je dôležité vyhodnotiť vhodnosť nehnuteľnosti vrátane priestoru a stavu pôdy a preskúmať možnosti štátnych dotácií.

Príklad z praxe: Geotermálne vykurovanie v Galante

Geotermálna energia z dvoch vrtov sa začala využívať v Galante na vykurovanie v systéme centrálneho diaľkového zásobovania teplom na jeseň roku 1996. Geotermálna voda s teplotou približne 77 °C sa čerpá z dvoch geotermálnych vrtov hlbokých 2 100 m. Geotermálne vrty FGG-2 a FGG-3 boli navŕtané v rokoch 1983 a 1984 s teplotou vody 78 °C a 77 °C. Výdatnosť vrtov je 15,7 l/s a 18,0 l/s, spolu 33,7 l/s. Tepelný výkon získaný z geotermálnej vody je približne 7 MW a postačuje na pokrytie potreby tepla do priemernej dennej vonkajšej teploty -1,5 °C.

Tepelné hospodárstvo Galantatermu tvorí centrálna kotolňa (energocentrum), kde sa pripravuje vykurovacia voda a TÚV, a odberné miesta (výmenníkové stanice). V systéme sú inštalované štyri plynové kotle s tlakovými horákmi s celkovým tepelným výkonom 10,6 MW. Maximálna potreba tepla zásobovaných objektov je 14,7 MW. Ročne vyrobené množstvo tepla predstavuje približne 90 tisíc GJ, z čoho až 90 % dodáva geotermálny zdroj.

Geotermálny systém využíva kaskádové (sériové) zapojenie výmenníkov tepla, v ktorých geotermálna voda postupne odovzdáva svoje teplo do okruhov s rôznymi teplotnými spádmi. To zabezpečuje vysokú mieru využitia geotermálnej energie a hospodárnu prevádzku geotermálneho zdroja a tým aj jeho dlhodobú životnosť. Tepelne využitá geotermálna voda sa vypúšťa do Váhu. Pred vypustením sa ochladí na požadovanú teplotu 25 °C v chladiacich bazénoch miešaním so studenou vodou z vŕtaných studní.

Spoločnosť Galantaterm s.r.o. založili v roku 1995 Mesto Galanta, Slovenský plynárenský priemysel, a.s. Bratislava, Nordic Environment Finance Corporation Helsinki, Orkuveita Reykjavíkur, Reykjavík a Slovgeoterm, a.s. Bratislava. Celkové investície dosiahli 105 mil. Využitie geotermálnej energie umožňuje firme Galantaterm s.r.o. dodávať teplo za výhodné ceny. Nedávno otvorené termálne kúpalisko v meste Galanta používa ako hlavný zdroj tepla tepelne využitú geotermálnu vodu vypúšťanú z energocentra. Využíva tepelné čerpadlá, ktoré zabezpečujú využitie aj geotermálnej vody s nízkou teplotou.

Zníženie emisií CO2 v Galante

Nasledujúca tabuľka ukazuje zníženie emisií v Galantaterme s.r.o. vďaka využívaniu geotermálnej energie.

Vďaka využívaniu geotermálnej energie je momentálne kotolňa odstavená. Ročne sa teda ušetrí približne 4 500 ton CO2. Vykurovanie s nízkou produkciou CO2 je kľúčom k udržateľnému rozvoju.

Inovatívne technológie: Tepelné čerpadlá Thermia

Požiadavky na zníženie nákladov a dlhodobú udržateľnosť prevádzky budov neustále zvyšujú tlak na konštrukciu vybavenia a spôsob prevádzky budov. Súčasný trend smerujúci k nízkoenergetickým budovám, alebo budovám s takmer nulovou spotrebou energie, odráža radikálne zmeny v spôsobe, akým sú budovy projektované a konštruované tak, aby sa znížil ich negatívny dopad na životné prostredie. Všetky nové budovy po roku 2020 sú stavané v súlade s európskymi normami pre vysokú energetickú účinnosť a zahŕňajú obnoviteľné zdroje energie.

Pomocou kompresoru riadeného invertorom (frekvenčným meničom) tepelné čerpadlo Thermia Calibra priebežne upravuje svoj vykurovací výkon tak, aby zodpovedal požiadavkám na teplo v reálnom čase. Vďaka tomu dosahuje jeden z najvyšších SCOP (Sezónny vykurovací faktor - Seasonal Coefficient of Performance (SCOP) je štandardným medzinárodným meradlom pre ročnú spotrebu energie a účinnosť) ratingov medzi tepelnými čerpadlami z celého sveta.

Invertorová technológia Thermia zaisťuje, že kompresor i invertor sú úplne riadené riadiacim systémom Thermia. S touto technológiou tepelné čerpadlo dokáže nie len zrýchliť či spomaliť otáčky kompresoru, ale taktiež presne upraviť jeho rýchlosť v závislosti od požiadaviek vypočítaných hlavným riadiacim systémom. Calibra šetrí energiu a je riešením s preukázateľne priaznivým vplyvom na životné prostredie. Už iba výberom Calibra tak preukazujete svoj záujem o zlepšenie životného prostredia a udržateľnosť pokroku.

Tepelné čerpadlá Thermia sú navrhnuté tak, aby poskytovali príjemnú teplotu a klímu v interiéri po celý rok. Naša invertorová technológia Thermia Inverter priebežne prispôsobuje výkon tepelného čerpadla Vašim požiadavkám v reálnom čase. To znamená, že tepelné čerpadlo plní všetky Vaše požiadavky na tepelnú pohodu bez nutnosti prídavného pomocného zdroja tepla. Integrovaný systém TWS - Tap Water Stratification, ktorý je patentovanou technológiou spoločnosti Thermia pre ohrev teplej vody, poskytuje o 15 % viac teplej vody výrazne rýchlejšie a s vyššími teplotami ako tradičné alternatívy.

Inteligentný riadiaci systém monitoruje celý systém vykurovania: radiátory, podlahové či zmiešavacie vykurovacie sústavy, ohrev vody, chladenie či pomocný ohrev (pokiaľ je potrebné), a dokáže jednoducho využiť energiu i z ďalších zdrojov tepla. Komponenty, ktoré sa používajú v týchto tepelných čerpadlách, sú dodávané uznávanými európskymi značkami, vrátane obehových čerpadiel s riadenou rýchlosťou triedy A a vysoko moderných výmenníkov tepla Micro Palte (MPHE). Vďaka novému technickému vyhotoveniu je Calibra najtichším tepelným čerpadlom na trhu. Riadiaci systém je vybavený farebným dotykovým displejom a užívateľsky prívetivými a jednoducho zrozumiteľnými ikonami.

Začiatky Thermie sú príbehom vášne jediného človeka. V roku 1923 už sa jeho podnik dostatočne rozrástol a Anderson založil spoločnosť Thermia. Od tej doby sa neustále riadia jeho pôvodnou víziou: „Výrobky, ktoré vypúšťame na trh, musia byť nie len najlepšie vo svojej dobe, ale musia svoju dobu predbehnúť a byť najlepšie i v budúcnosti.” V roku 1973, kedy vrcholila celosvetová ropná kríza, spoločnosť Thermia uviedla na trh prvé tepelné čerpadlo so vstavaným zásobníkom na teplú vodu.

Monitorujte a ovládajte svoje tepelné čerpadlo zo svojho inteligentného telefónu, počítača či tabletu - nech už ste kdekoľvek na svete! Pomocou aplikácie ‘Thermia Online’ môžete svoj systém jednoducho ovládať i na diaľku. Môžete tak napr. skontrolovať, či systém vykurovania správne funguje, znížiť teplotu, ak ste na dovolenke, alebo dostávať upozornenia na akékoľvek neočakávané udalosti.

tags: #geotermalne #vykurovanie #domu