Výplně vrtů tepelných čerpadel

Pro výplň vrtu tepelného čerpadla typu země-voda se stále ještě často používá čistý bentonit, jeho směs s cementem nebo dokonce původní hornina. Jedná se o často používané řešení, které má ale řadu nevýhod. Tyto materiály dosahují nízké hodnoty součinitele tepelné vodivosti, což způsobuje vyšší tepelný odpor vrtu. Podstatná je také velmi malá odolnost těchto výplní proti působení záporných teplot, v důsledku čehož se časem rozpadají, jejich pórovitost roste a tepelná vodivost dále klesá.

Mnohem efektivnějším řešením je směs vyvinutá a vyráběná speciálně pro injektování vrtů tepelných čerpadel pod názvem ThermoCem PLUS. Výplň vrtu provedená z malty ThermoCem PLUS dosahuje výrazně vyšší tepelné vodivosti než běžná bentonitová výplň. Díky tomu klesá tepelný odpor vrtu Rb a zvyšuje se tepelný zisk. ThermoCem má ověřenou odolnost proti zmrazování a proti působení agresivních vod a je vyráběn ze surovin vybraných s důrazem na vysokou kvalitu produktu a ochranu životního prostředí.

Mezi ukazatele, které je nezbytné při výběru výplně vrtu tepelného čerpadla země-voda sledovat, patří tepelný odpor vrtu, tepelná vodivost, vlastnosti suspenze a její použití při realizaci.

Tepelný odpor vrtu
Přenos tepla mezi cirkulující kapalinou a horninou je závislý na geometrii vrtu, uspořádání sond a vlastnostech všech použitých materiálů. Vedle dostatečného teplotního spádu hraje v případě přenosu tepla konvekcí klíčovou roli i tepelná vodivost. Čím vyšší je tepelná vodivost, tím nižší teplotní spád je zapotřebí.

Celkový tepelný odpor systému závisí na těchto faktorech:

• Tepelná vodivost výplně vrtu
• Materiálové vlastnosti sondy
• Uspořádání sond, jejich vzdálenost od okraje vrtu
• Rozměry vrtu

Souhrnně se tepelný odpor všech částí konstrukce vrtu nazývá tepelný odpor vrtu (R_b). Výplň vrtu provedená z malty ThermoCem PLUS dosahuje výrazně vyšší tepelné vodivosti než běžná bentonitová výplň. Díky tomu klesá tepelný odpor vrtu a zvyšuje se tepelný zisk.

Snížení tepelného odporu vrtu Rb také usnadňuje jeho využití k aktivnímu chlazení objektu v letních měsících, což je ekonomicky zajímavá alternativa standardních klimatizačních jednotek vzduch-vzduch. Dochází tím navíc k vyrovnávání tepelné bilance horninového prostředí s pozitivním vlivem na výkon v  topné sezóně a jeho udržitelnost v dlouhodobém horizontu.

Zlepšování tepelné vodivosti
Existují různé způsoby jak zvýšit tepelnou vodivost materiálu. Jednou z cest je přidávání křemenného písku, či obecně kameniva. Pro dosažení tepelné vodivosti kolem 2 W.m^-1.K^-1 je ale nutné přidat již poměrně značné množství kameniva, což může vést ke zhoršení zpracovatelnosti a čerpatelnosti za současného zvyšování abrazivity směsi.

V případě směsi ThermoCem PLUS byl zvolen jiný způsob. Pro dosažení hodnoty tepelné vodivosti (λ) 2 W.m^-1.K^-1) je použita speciální příměs. Množství i zpracovatelnost suspenze jsou přizpůsobeny charakteristickým požadavkům pro injektování vrtů tepelných čerpadel. Při uvažovaném tepelném výkonu vrtu 50 W/m je při použití cemento-bentonitové výplně (λ = 0,8 W.m^-1.K^-1) zapotřebí tepelný spád 6 K, zatímco při použití směsi ThermoCem (λ = 2 W.m^-1.K^-1) pouze 3,5 K.

Laboratorní výsledky dokazují, že použitím směsi ThermoCem lze díky vyšší výstupní teplotě kapaliny primárního okruhu nebo možnosti zkrácení délky vrtu výrazně zvýšit efektivitu tepelného čerpadla a ušetřit nemalou část provozních nebo nákladů.

Vlastnosti suspenze
Jílovité minerály obsažené ve směsi ThermoCem v krátkém čase absorbují přebytečnou vodu, čímž suspenzi zahušťují a podporují její tixotropní vlastnosti. Toto je výhodou při průchodu horizontálními kavernami či poruchami v podloží. Deklarované technické a kvalitativní parametry včetně tepelné vodivosti mohou být dosaženy pouze při dodržení předepsaného množství záměsové vody. Nejdůležitějším faktorem při míchání suspenze je právě vodní součinitel (w/s), tedy hmotnostní poměr vody a suché směsi. Kvalitně připravená směs se vyznačuje nízkým odlučováním vody. Maximální hodnota by u dobře zpracovatelné směsi měla být nižší než 1 % až 2 %.

ThermoCem® PLUS je suchá směs pro staveništní přípravu injektážní suspenze určené k vyplňování vrtů tepelných čerpadel systému země-voda. Odpovídá požadavkům směrnice VDI 4640. Při dodržení předepsaného složení 810 kg směsi a 650 l vody na 1 m³ suspenze má hotová výplň vysokou tepelnou vodivost ( λ ≥ 2 W/mK), nízkou permeabilitu (kf ≤ 10-10) a ověřenou odolnost proti zmrazování.

Kontrola kvality na stavbě
Nejvhodnější metodou kontroly správného poměru složek v suspenzi je stanovení objemové hmotnosti. Pravidelnou kontrolou se můžete přesvědčit o správném průběhu vyplňování vrtu. Odborná studie (DVGW, 2003) prokázala, že je vhodné také porovnat objemovou hmotnost suspenze v míchačce s objemovou hmotností suspenze vystupující z vrtu po dokončení injektáže. Pokud jsou obě hodnoty shodné, lze předpokládat, že došlo k úplnému vytlačení zbytkové vody z vrtu a tím k jeho  rovnoměrnému vyplnění.
K orientačnímu určení viskozity či zpracovatelnosti suspenze slouží zkouška podle Marshe. Měřenou veličinou je čas, za který vyteče 0,5 litru suspenze z trychtýře objemu asi 1,5 litru otvorem o průměru přibližně 5 mm. Čistá voda dosahuje času asi 26 vteřin, injektážní suspenze s dobrou zpracovatelností asi 40 až 100 vteřin.

Smícháním suché směsi ThermoCem s vodou vznikne lehce zpracovatelná suspenze, která je na staveništi ihned připravená k použití.

Při výběru výplňového materiálu je tedy rozumné zohlednit nejen přímé náklady vyplývající z jednotkové ceny suspenze, ale také hodnotu tepelné vodivosti, vodotěsnost a trvanlivost výplně. Odměnou za použití speciální výplňové směsi může být úspora v realizační i provozní etapě životního cyklu tepelného čerpadla.

Českomoravský cement, a.s.
www.thermocem.cz