Osadenie do terénu v rôznych hĺbkach zohráva kľúčovú úlohu v mnohých aspektoch moderného stavebníctva a energetiky. Od využívania stabilnej teploty podložia pre vykurovanie až po zabezpečenie stability základov stavieb a efektívneho manažmentu zrážkovej vody, správne pochopenie a aplikácia princípov spojených s hĺbkou je nevyhnutná. Táto hĺbka nie je statická veličina, ale dynamický faktor ovplyvnený mnohými prírodnými a konštrukčnými podmienkami.
Geotermálna energia a jej využitie hlbinnými vrtmi
Geotermálnu energiu je možné v širšom pohľade definovať ako teplo v zemskom jadre a plášti. Jej pôvod je vysvetľovaný ako dôsledok zmršťovania hmoty v čase diferenciácie planetárnej hmoty, ako dôsledok trenia kontinentálnych platní, tektoniky, vysokým tlakom, rozpadom rádioaktívnych prvkov a energia uvoľňovaná pri premene roztavených hornín jadra na pevnú hmotu. Teplota horninového prostredia smerom do hĺbky stúpa.
Teplotný režim pôdy v rôznych hĺbkach
Teplota pôdy sa v hĺbke niekoľkých metrov pod úrovňou terénu približuje priemernej ročnej teplote. Teplotu pôdy ovplyvňuje denný i ročný teplotný výkyv len do určitej hĺbky. Denný teplotný výkyv v pôde pozorujeme približne do hĺbky 1 m. Ten sa mení v závislosti od úpravy a farby povrchu pôdy, od nadmorskej výšky a ochrany povrchu a tiež od rýchlosti vetra. Vo vlhkých pôdach pozorujeme menší denný teplotný výkyv. Ročný teplotný výkyv ovplyvňuje teplotný režim pôdy v našich klimatických podmienkach cca do hĺbky 15 m. Od hĺbky cca 15 metrov pod úrovňou terénu sa v našich klimatických podmienkach teplota v pôde nemení t.j. je stabilná. Teplota pôdy cca 20 m pod zemským povrchom dosahuje stálu teplotu okolo 10 °C. Táto teplota ďalej narastá o 1 °C približne každých 30 metrov. Z geologických meraní a štúdií vyplýva že, teplota pôdy s pribúdajúcou hĺbkou narastá cca na 33 metrov hĺbky o 1 °C. Pre vrty do hĺbky 150m je ale nárast teploty len o 4-5 °C. Pri použití hlbinného vrtu pre tepelné čerpadlá je hlavne zaujímavá stabilita teploty podložia.
Hlbinné vrty ako stabilný zdroj pre tepelné čerpadlá
Hlbinný vrt je ideálny zdroj energie pre tepelné čerpadlo zem - voda. Má celoročne stabilnú teplotu cca 9 °C, čo zabezpečuje vysokú účinnosť aj počas nízkej exteriérovej teploty. Pre tepelné čerpadlo ponúka použitie vrtu stabilný zdroj tepelnej energie. Tepelné čerpadlá zem-voda geotermálny vrt využíva energiu podložia. Medzi prednosti patrí celoročná stála teplota zdroja (približne 9 °C), nezávislosť od vonkajšej teploty, stabilný výkon, vysoká účinnosť aj pri extrémne nízkych teplotách. Tieto TČ pracujú s priemerným ročným vykurovacím faktorom 3 - 5,5.
Hĺbka vrtu sa obvykle pohybuje od 80 do 180 m v závislosti od podložia a energetickej potreby stavby. Väčšina vrtov pre získavanie geotermálneho tepla má hĺbku do 150m. Vo väčšej hĺbke je síce vyššia teplota horniny, ale hĺbkou stúpajú náklady na inštaláciu (cena vrtu a vystrojenie). Pre rodinný dom obvykle postačuje jeden vrt (väčšie objekty dva a viac vrtov).
Konštrukcia a inštalácia hlbinného vrtu
Hlbinné vrty majú minimálne požiadavky na plochu pozemku. Geotermálny kolektor (osadený hlbinný vrt) je prakticky najdôležitejšou časťou inštalácie tepelného čerpadla typu zem-voda. Prenos tepla medzi podložím a tepelným čerpadlom typu zem-voda zabezpečuje teplonosná kvapalina, ktorá prúdi v potrubiach uložených vo vrtoch. Rovnako ako pri plošnom kolektore v uzatvorenom systéme cirkuluje teplonosná kvapalina (nemrznúca zmes s ochrannými prísadami). Vystrojenie musí mať tlakovú odolnosť minimálne 16 barov (PN 16).
Kľúčové komponenty vrtu:
- Sonda a pätka: Najdôležitejší prvok celého vystrojenia vrtu pre tepelné čerpadlo je zosilnená päta sondy. Má zväčšený objem separačnej časti a znížený hydraulický odpor teplonosnej kvapaliny. Najviac namáhaná časť celého vystrojeného vrtu pre tepelné čerpadlo pri zavádzaní aj počas samotnej prevádzky je vratné U koleno (pätka), ktoré usmerňuje tok média späť.
- Závažie: Pre ľahšiu inštaláciu geotermálnej vertikálnej sondy do vrtu slúži kontajnerové závažie, ktoré olovnicovým efektom smeruje GVS ku dnu vrtu. Pri zavádzaní slúži závažie ako ochrana vratného U kolena.
- Injekčné potrubie a injektáž: K injektáži vrtu slúži injekčné potrubie, ktoré je zavádzané spolu so sondou do vrtu. Týmto potrubím sa tlakom vypĺňa vrt odspodu. Injektovanie vrtu pre tepelné čerpadlá zaistí kontakt podložia s teplonosnou časťou vrtu. Po realizácii tlakovej skúšky sa hadice zalejú cement-bentonitom, aby bol dosiahnutý ideálny prenos tepla.
Tridsaťročný vývoj, ktorým celý systém GEROtherm prešiel, postupne vyradil nevhodné a zložité riešenia. Posledný typ vystrojenia je na trhu viac ako 10 rokov a nebola zaznamenaná reklamácia na netesnosť!
V prípade poddimenzovania vrtu v priebehu niekoľkých rokov môže prísť k vymrznutiu geotermálneho vrtu (vrt sa nebude stíhať regenerovať).
Tepelné čerpadlo země-voda - hlubinné vrty
Vrtné práce a špecializované spoločnosti
Hlbinné vrty a studne pre nás vŕta partnerská spoločnosť Hydrodrilling. Na trhu pôsobia od roku 2007, sú to špecialisti na problematiku vrtných prác, hydrogeologických vrtov a vrtov pre tepelné čerpadlá. Je výhodné budovať hlbšie zemné vrty, ale ich vybudovanie treba zveriť špecializovanej firme so skúsenosťami.
Typy mobilných vrtných súprav a ich špecifikácie:
- Mobilná vrtná súprava na podvozku Tatra 815:
- Vŕtanie hydrogeologických vrtov: úvodný profil vŕtania Ø 500 mm, paženie oceľovými pažnicami Ø 400mm, budovací materiál max. Ø 300 mm.
- Mobilná vrtná súprava na pásovom podvozku:
- Vhodná do úzkych dvorov, alebo vyloženie súpravy žeriavom.
- Šírka vrtnej súpravy 160 cm, váha 3.800 kg.
- Vŕtanie hydrogeologických vrtov: úvodný profil vŕtania Ø 220 mm, dovrt 152 mm do hĺbky 150m.
- Mobilná vrtná súprava na podvozku V3S:
- Vŕtanie inžiniersko-hydrogeologického prieskumu: jadrové vŕtanie, špirálové vŕtanie.
- Vŕtanie monitorovacích vrtov: úvodný profil vŕtania Ø 300 mm paženie oceľovými pažnicami Ø 268 mm.
Zakladanie stavieb a význam nezámrznej hĺbky
Základová konštrukcia, ako aj samotný technologický proces zakladania, tvorí výraznú položku celkových nákladov na stavbu. Hlavnou úlohou každej základovej konštrukcie je zabezpečiť bezpečný prenos vlastného zaťaženia stavby, úžitkového a vonkajšieho zaťaženia v závislosti od únosnosti pôdy a podložia na úroveň únosnej základovej zeminy. Nepredvídané sadanie budovy môže spôsobiť nemalé finančné škody, ako aj znemožniť užívanie budovy na účel, na ktorý sa projektovala (obmedzenie funkčnosti a spoľahlivosti, statické poruchy, nakláňanie, vodorovný posun základovej konštrukcie a celej budovy - poškodenie napojení na inžinierske siete).
Riziká spojené s pôdou a ich eliminácia
Zamrznutá základová zemina má v zimnom období tendenciu zdvíhať základovú konštrukciu (respektíve základy budovy). Z tohto dôvodu pri zakladaní nepodpivničených stavieb (v tomto prípade priemyselných budov) sa musia plošné základové konštrukcie nachádzať v takzvanej nezámrznej hĺbke pod povrchom prírodného terénu (STN 73 1001 [7]). Pri návrhu základovej konštrukcie v jemnozrnných zeminách (silty a íly s vysokou, veľmi vysokou a extrémne vysokou plasticitou) musí byť hĺbka založenia až 1 600 mm. Hĺbka založenia budovy hZ - P musí byť vo všeobecnosti taká, aby sa spodná úroveň základu (základová škára) krížila s vonkajším lícom základu práve v izoterme -1,0 °C.
Vplyv izolácie a konštrukčných detailov
Na to však treba poznať teplotný režim pôdy v blízkosti budovy a podložia pod budovou a až na základe toho definovať, ktorá aplikácia tepelnej izolácie (v akom množstve, hrúbke, kombinácii, vzdialenosti a s akými vlastnosťami) bude najvhodnejšia pre konkrétny prípad konštrukčného riešenia. Ako premenlivý faktor vystupovala aplikácia doskovej tepelnej izolácie na báze extrudovaného polystyrénu. So zväčšujúcou sa vzdialenosťou od vnútorného povrchu obvodovej steny vplyv vonkajšieho prostredia, a teda aj premŕzanie základovej pôdy/podložia, klesá. Z tohto dôvodu možno vnútorné základy založiť v menšej hĺbke. So zväčšujúcou sa šírkou hodnotenej budovy rastie aj priemerná teplota v podloží tesne pod podlahou.
Nezohľadnenie uvedených faktorov a vplyvov môže mať za následok trvalé znehodnotenie konštrukčného detailu, ale aj zníženie celkovej kvality vnútorného prostredia. Okrem tepelnej izolácie možno okolo celej stavby vytvoriť drenážny systém (so štrkovým obsypom). Drenážny systém zachytáva povrchovú vodu, ktorá prúdi pozdĺž základovej konštrukcie, čím udržiava okolitú zeminu v relatívne suchom stave.
Vsakovanie zrážkových vôd a jeho benefity
Neutíchajúca výstavba má za následok neustále uzatváranie prirodzeného terénu, z dôvodu čoho vzniká problém čo so zrážkovou vodou z povrchového odtoku odvádzanou z týchto plôch a to najmä striech, spevnených plôch a parkovísk. Zrážková voda z povrchového odtoku (ďalej len "zrážková voda") je definovaná ako: Voda z atmosférických zrážok, ktorá nevsiakla do zeme a ktorá priamo z povrchu terénu alebo z vonkajších povrchov budov vteká do stokovej siete alebo systému kanalizačných potrubí. Návalové zrážky a taktiež dlhotrvajúce zrážky zahlcujú kanalizačné siete. Je preto dôležité bezpečné odvedenie nadbytočného množstva zrážkovej vody z povrchového odtoku.
Z tohto dôvodu sa už v územnom konaní môže prevádzkovateľ kanalizácií t.j. príslušný vodárenský podnik vyjadriť nedovolením vypúšťania zrážkových vôd z povrchového odtoku do jednotnej kanalizácie. Ak teda nie je možné odvádzať zrážkovú vodu do dažďovej kanalizácie je možné túto zrážkovú vodu odviesť do zvoleného systému vsakovania a nechať vodu prirodzene vsiaknuť do terénu.
Vsakovaniu zrážkových vôd z povrchového odtoku treba venovať pozornosť. Medzi hlavné benefity vsakovania patrí hlavne znižovanie odtoku z celkového objemu zrážkových vôd zahlcujúcich verejné kanalizačné siete, ale taktiež zvyšovanie stability ekosystémov a úspora financií za odvádzanie zrážkovej vody do kanalizácie.
Vsakovacie šachty a ich návrh
Vsakovacie šachty sa vo väčšine realizujú z betónových skruží. Smernica určuje minimálny priemer vsakovacej šachty DN 1000 [6].
Typy vsakovacích šácht:
- Šachta typu A: Je tvorená z betónových skruží. Pri šachte typu A musí byt zabudovaný filtračný vak. Celý objem zrážkovej vody musí pred vsiaknutím prejsť cez filtračný vak.
- Šachta typu B: Oproti šachte typu A majú tieto šachty bočné vsakovacie otvory výlučne pod filtračnou vrstvou (napr. štrkom). Pri šachte typu B sa musí dať vrchná časť filtračnej vrstvy odstrániť (usadené a odfiltrované látky), a vymeniť za novú vrstvu filtračného piesku.
Kľúčový faktor: Súčiniteľ priepustnosti pôdy (kf)
Pri návrhu je nutný geologický prieskum pre návrh vsakovacej šachty. Až z geologického prieskumu uvažovanej oblasti vyplynie vhodnosť či nevhodnosť okolia zeminy pre vsakovanie zrážkovej vody. Súčiniteľ priepustnosti pôdy kf vyjadruje rýchlosť (jeho jednotkou je m/s), ktorou preteká zrážková voda určitým typom prostredia t.j. zeminy. V závislosti na druhu zeminy môže nadobúdať veľmi rozdielnych (diametrálne sa líšiacich) hodnôt v rozsahu radov od 10-1 do 10-10 m/s. Pritom o zasakovaní môžeme hovoriť, pokiaľ sa hodnota vsakovacej rýchlostí okolitej zeminy pohybuje v intervale od 10-3 do 10-6 m/s.
- V prípade, že kf je väčší ako 10-3, dochádza k veľmi rýchlemu priesaku zrážkových vôd do vôd spodných. To má za následok jednak narušenie dočasnej skladovacej funkcie systému a jednak to, že nedôjde k požadovanému pôdnemu dočisteniu zrážkovej vody pred jej vstupom do vody podzemnej.
- Pokiaľ je naopak kf menší ako 10-6, je nutné navrhnúť kapacitne veľmi veľký akumulačný priestor, čo už môže byť z ekonomického hľadiska nevýhodné. V týchto prípadoch sa už nedá hovoriť o vsakovaní, ale o riadenej retencii.
Musí byť zaručená priepustnosť filtračnej vrstvy kf < 1.10-3 m/s [1]. Vzdialenosť povrchu filtračnej vrstvy a najvyššej priemernej hladiny spodnej vody musí byť min. 1,0 m [1].