CZ307622B6 - Geotermální jímač vertikálního typu s horizontálním prouděním teplonosných médií - Google Patents

Abstract

Geotermální jímač vertikálního typu pro jímání tepla ze země nebo z vody sestává z větví, jež jsou umístěny do zemních výkopů nebo jsou umístěny do zemních protlaků, vrtů a nebo do vody. Geotermální jímač je připojen prostřednictvím rozdělovače a sběrače v boxu (2) a pomocí propojovacího potrubí (3) k vnitřnímu tepelnému čerpadlu (4), nebo je připojen k venkovnímu tepelnému čerpadlu, přičemž tepelné čerpadlo je napojeno k otopné soustavě objektu. Větve jsou situovány paralelně nebo sériově a každá větev je tvořena plastovým nebo kovovým jímacím potrubím (6, 13) s nejméně jedním navinutím na distančních deskách (7), které jsou kruhového nebo víceúhelníkového tvaru, a které mají po obvodě zámky (25), nebo je větev tvořena nejméně jednou komorovou deskou (14) s komorami (16, 17, 18) uvnitř, kde komory (16, 17, 18) mají kruhový nebo víceúhelníkový průřez. Větve jímače jsou napojeny na rozdělovač a sběrač tepelného čerpadla a jsou umístěny do zemních drážek (5), uspořádání jejich os (1) je rovnoběžné nebo jsou osy (1) zemních drážek (5) uspořádány paprskovitě do nejméně jednoho kruhu nebo do nejméně jedné kruhové výseče, přičemž vzájemné rozteče os (1) paprskovitého uspořádání jsou přednostně v intervalu 10° až 30°.

Description

Geotermální jímače neboli kolektory jsou používány k jímání a předávání nízkopotenciálního tepla ze země a z vody. Propojují se s termodynamickým generátorem neboli s tepelným čerpadlem, ve kterém se uvolňuje najímané teplo dopravované teplonosnou směsí k vytápění objektu. Při režimu chlazení předávají naopak tyto kolektory teplo najímané v objektu ven do svého okolí. Vertikální typy jímačů se používají tam, kde jsou tradiční horizontální typy jí mačů méně vhodné a tam, kde představují velký zásah do dotčeného pozemku a jeho okolí.

Dosavadní stav techniky

Jímače geotermických tepelných čerpadel lze obecně rozdělit na plošné horizontální a na vertikální. Vertikální provedení kolektorů využívají nejčastěji potrubím nastrojené hlubinné vrty, kruhové spirálové kolektory Slinky a Švec nebo méně používané energetické piloty.

Kruhové spirálové kolektory typu Slinky se ukládají v horizontální nebo vertikální poloze. V horizontální poloze se do výkopů asi 2 m hlubokých a 1 m širokých roztáhnou smyčky kolektoru. Plastové potrubí je položeno horizontálně naplocho v jedné vrstvě. Jednotlivé kruhy potrubí se částečně překrývají a jsou pouze vzájemně posunuté po dně výkopu o stanovenou rozteč. Při vertikální instalaci je pak potrubí ukládáno ve stejných vzájemně posunutých kruzích, ale svisle do výkopu stejné hloubky, ale menší šířky. V místech křížení jednotlivých kruhů potrubí se doporučuje toto vzájemně fixovat svázáním. Slinky kolektory, zejména vertikální typ jsou charakteristické horším odvzdušňováním a tvorbou dlouho přetrvávající námrazy na potrubí. Systém není dobře využitelný pro tepelná čerpadla s přímým vypařováním chladivá v kolektoru, tj. pro DX-direct expansion systems.

Kruhové spirálové kolektory typu Švec používají při výrobě plastové potrubí navinuté na válec. Potrubí je před pokládkou roztaženo do vodorovné válcové spirály a takto je vloženo do výkopu a zahrnuto. Parametry výkopu jsou asi jako u systému Slinky horizontální uložení. Systém Švec je charakteristický obdobnými nedostatky jako systémy Slinky. Systémy Slinky a Švec jsou i s jejich nevýhodami zmíněny například ve VDI-Richtlinien 4640.

Energetické piloty jsou popsány například ve VDI-Richtlinien 4640, Blatt 2, rok 2001. Mohou mít tvar kvadratický, hexagonální nebo kruhový. Jejich délka je obvykle od 2 do 14 m a instalují se svisle. Průřez jímacího pilotu bývá nejčastěji 25x25 cm až 40x40 cm. Přípravné hloubení probíhá vrtáním nebo při menší délce pilotů bagrováním. Piloty jsou ukládány ve formě připraveného potrubního registru a následně jsou zasypávány zeminou. Piloty mohou být rovněž betonové obsahující zmíněný potrubní registr. Finančně nákladné provedení registru uloženého do betonu je možné využít pro zpevnění základů vytápěného objektu.

Jsou známé i nové méně nákladné varianty kolektorů s vertikálním uspořádáním a s malými nároky na celkovou plochu pozemku jako například SE 0302190 a US 5054541. Tyto známé kolektory jsou používané výhradně ve svislé vertikální poloze s úsporou horizontální plochy pozemku. Jsou využitelné pro solanková tepelná čerpadla typu země-voda s náplní primární strany směsí vody a nemrznoucích aditiv.

Patent SE 302190 popisuje továrně vyrobený kolektor, který lze spojovat spojkami v sérii za sebou nebo paralelně. Směr proudění teplonosné nemrznoucí směsi je v tomto kolektoru vertikální přes počet trubek střídavě odshora dolů a opět nahoru. Je zřejmé, že mnohonásobný střídavý směr proudění není optimální pro rychlé samoodvzdušnění jednotlivého pole kolektoru a tedy ani sestaveného jímače jako celku. Čisté jímací pole kolektoru bez přípojek má preferenční

- 1 CZ 307622 B6 rozměr 1,5 m šíře x 2 m délka, případně 3 m délka. Spodní část kolektoru se tak bude nacházet v hloubce 3 až 4 m pod povrchem. Montáž jímače v praxi vyžaduje použití velkého zemního stroje pro odbagrování 3 m a více hlubokých a 1 m širokých výkopů potřebné délky. Pro monovalentní tepelné čerpadlo, tj. tepelné čerpadlo bez přídavného elektrokotle nebo jiného pomocného topného zdroje o celkovém topném výkonu například 10 kW je potřebné při výstavbě takového jímače odbagrovat a manipulovat s přibližně 60 m³ zeminy. Tento kolektor je továrně vyráběn, obsahuje velký počet tvarovek a svarů. Tvarovky jsou speciálně navrženy a vyráběny pro tento účel. Přednostně je pro tento kolektor používáno plastové potrubí dimenze 40 mm. Uvedená dimenze použitého potrubí znamená nákladnější a těžší výrobek. Cena a spotřeba materiálu použitého na zhotovení jímače je tedy vyšší. Skladování a transport jímače v demontovaném stavu jsou náročnější na místo a tedy také nákladnější. Princip proudění média v kolektoru není univerzálně využitelný pro tepelná čerpadla s přímým vypařováním chladivá v kolektoru, tedy pro úspornější DX systémy. Je zřejmé, že jímač se bude hůře odvzdušňovat a vzhledem k hloubce uložení pod povrchem a k uváděné preferenční osové rozteči potrubí 100 mm bude docházet k intenzivnímu promrzání v okolí potrubí. Výkon jímaný potrubím bude mezi 17 až 18 W/m. Rychlost regenerace uvedeného jímače nebude optimální. Nachází-li se potrubní registr 1,5 m a více pod povrchem pozemku bude jeho přírodní regenerace shora slunečním svitem a dešťovou vodou velmi pomalá a opožděná. Tepelné čerpadlo pak déle pracuje se sníženým topným faktorem. Kolem potrubí dochází k vytvoření intenzivní a dlouho přetrvávající ledové námrazy. Pro jímání větších výkonů a pro objemovou optimalizaci jímacího půdního obalu kolem každé vertikální části potrubí bude udaná preferenční délka kolektoru 2 m zřejmě ještě prodloužena až na 3 m. Tím bude snížena intenzita promrzání kolem potrubí, ale dochází tak k ještě hlubšímu celkovému uložení jímače. Obdobná nebo hlubší uložení se používají také u vertikálních energetických pilotů a košů.

V US 5054541 je jímací koš tvořen potrubím stočeným do dvojité spirály s horním přívodem a horním vývodem. Rozteče potrubí jsou docíleny připevněním potrubí vázacími pásky ke svislým po obvodě pravidelně rozmístěným třmenům. Vzniklý koš může mít konický tvar s užším dnem. Potrubní registr předpokládá v každé vertikální úrovni vždy pravidelný kruhový tvar. Je zřejmé, že pro praktické využití a najímání potřebného výkonu bude nutný velký počet těchto košů nebo zvětšení jejich rozměrů, tj. průměru a hloubky. Zemní práce a charakter provedení je zde podobný jako u energetických pilotů. Také tato varianta je svou vertikální koncepcí určená především pro tepelná čerpadla země-voda s náplní primární strany vodou a nemrznoucími aditivy nebo-li pro solanková tepelná čerpadla. V tomto případě by bylo potrubí zřejmě z plastu, i když patent nevylučuje použití kovového potrubí. Také toto řešení se hůře odvzdušňuje a inklinuje k tvorbě a usazování vzduchových bublin a kapes. V případě použití potrubí kovového pro systém s přímým vypařováním chladivá by zjevně docházelo ke hromadění oleje i chladivá v nejnižší části jímacího koše.

Uvedená řešení při instalaci vždy vyžadují nasazení těžkého a nákladnějšího zemního stroje s obtížnou přepravou. Vzhledem k objemu zeminy, se kterou je nutno při výstavbě manipulovat devastují pozemek stále ve velké míře, což může být velmi problematické z pohledu investora u již založené zahrady.

V US 5634515 je popsán způsob horizontálního kolektoru s možným výsečovým neboli vějířovitým uspořádáním horizontálně vedených vrtů. Jednotlivé horizontální vrty jsou vedeny pod vertikálním úhlem 5° až 20° od povrchu a mohlo by jich být umístěno i několik nad sebou při vhodné vertikální rozteči. Vybudování takového jímače vyžaduje speciálně upravené ruční vrtací zařízení s prodlouženou vrtnou korunkou s výplachem. Popsané řešení je určené pro tepelná čerpadla s přímým vypařováním směsi chladiv v primární části. Jímač je založen na počtu paralelních smyček z měděného potrubí na koncích vratně zahnutých do U. Jednotlivé smyčky jsou po odvrtání zasouvány do vzniklých děr. Vrty jsou poté formou injektáže vyplňovány. Pro známý problém s navracením oleje unášeného v potrubí přímo se vypařujícím chladivém zpět do kompresoru využívá systém metodu jeho odloučení olejovým separátorem. Olej se tak nemůže ve velkém objemu hromadit v nejnižších místech kolektoru, kterými jsou vratně zahnutá U

-2CZ 307622 B6 zakončení. Praktické vybudování takového jímače bude náročné časově i na přípravu a vyžaduje použití speciální vrtací techniky.

Podstata vynálezu

Vynález se týká konstrukce, vybudování a připojení kompaktního kolektoru vertikálního typu s převládajícím horizontálním prouděním teplonosného média. Kolektor slouží jako primární tepelný zdroj pro geotermální tepelná čerpadla. Jímač může být umístěn přednostně v půdě nebo alternativně zatěžkán ve vodě. Zde popsané provedení jímače řeší uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky a dále jej zlepšuje.

Cílem bylo vyvinout nekomplikovaný geotermický jímač vertikálního typu s rychlou postupnou výstavbou, který nedevastuje dotčený pozemek a minimalizuje manipulaci se zeminou a minimalizuje i vlastní výrobní proces jímače. Konstrukce a uspořádání potrubního registru umožňuje využití pro různé systémy geotermálních tepelných čerpadel i v rozdílných typech půdy. Provedení podporuje i při vertikálním charakteru bezproblémové samoodvzdušnění u solankových tepelných čerpadel a volný průchod a navracení oleje unášeného chladivém u systémů s přímým vypařováním chladivá v kolektoru. Jímač je dobře vyrobitelný, skladovatelný a při zvolení vhodné dimenze potrubí umožňuje rychlé sestavení do kompaktního tvaru i na místě realizace. Pro jímání vyšších výkonů umožňuje napojení jednotlivých smyček paralelně anebo i v sérii. K jeho ekonomické výrobě jsou použity standardně vyráběné polotovary, jako jsou plastová nebo kovová potrubí, desky, pásy a případně komorové desky. Při poškození některé smyčky jímače je tato identifikovatelná prostřednictvím rozdělovače a sběrače a snáze nahraditelná vybudováním nové smyčky přímou náhradou nebo jako smyčky těsně sousedící. Hloubka uložení pod povrchem pozemku umožňuje optimální regeneraci celého jímače při dešti, oblevách nebo při slunečním svitu v přechodných obdobích. Tepelné čerpadlo tak bude drive, respektive po delší období pracovat s vyšší efektivitou neboli s vyšším topným faktorem. Malé hloubky uložení pod povrchem je i při vertikálním charakteru jímače dosaženo menšími dimenzemi převážně horizontálně vedených potrubí a celkovou kompaktností provedení s pevnými roztečemi v celém profilu kolektoru. Celý jímač se dotýká pozemku v mnohem menší ploše, než u ostatních současně používaných variant horizontálních plošných kolektorů. Objem zeminy, se kterou je nutno postupně manipulovat je snížen na minimum. Výstavba jímače umožňuje nasazení lehkého, levnějšího a snáze transporto vatě lného zemního stroje bez použití speciální vrtné techniky. Průběh výstavby na místě realizace je dostatečně rychlý a přitom představuje minimální zásah do pozemku.

Pro snížení materiálové náročnosti je celý primární okruh rozdělen na větší počet paralelních okruhů o dimenzi potrubí poloviční nebo nižší než jsou v současnosti stále převažující vnější průměry plastového potrubí 40 a 32 mm. Zdánlivá nevýhoda vyšší tlakové ztráty menšího průměru potrubí je eliminována paralelním rozdělením celkové délky primárního okruhu na vhodný počet kratších okruhů, respektive smyček stejné délky.

Objasnění výkresů

Obrázek 1 zobrazuje zemní jímač s výsečovým uspořádáním zemních drážek.

Obrázek 2 znázorňuje zemní jímač s obdélníkovým uspořádáním drážek.

Obrázek 3 zobrazuje jednu paralelní smyčku potrubí navinutou na distančních plastových deskách.

Obrázek 4 ukazuje potrubní registr vzniklý paralelním rozdělením a spojením potrubí se středovým ohybem.

-3CZ 307622 B6

Obrázek 5a), 5b), 5c) a 5d) ukazuje paralelní smyčku zhotovenou z plastové anebo kovové komorové desky nebo pásu.

Na obrázku 6a) a 6b) jsou zobrazeny řezy zemní drážkou jímače.

Obrázek 7a), 7b) a 7c) ukazuje možné tvary a provedení distančních zámkových plastových desek.

Na obrázku 8a), 5b) a 8c) je zobrazena jedna stočená paralelní smyčka jímače z celistvého potrubí, dále z plastové distanční desky nebo pásu.

Na obrázku 9a) a 9b) je zobrazen kompaktní zkrácený rozdělovač a sběrač.

Příklad uskutečnění vynálezu

Plastové nebo kovové potrubí jedné smyčky délky například 30 až 80 m je navinuto na zámkové distanční desky přednostně obdélníkového tvaru, které zaručují dodržení vertikálních roztečí s nebo s/2 v celém registru. Vertikální rozteč s je například 4 až 40 cm. Potrubí je vedeno horizontálně s možným spádem se spodním vstupem a horním výstupem do jedné smyčky nebo naopak. Jednotlivé horizontální úseky potrubí mohou ležet ve stejné vertikální rovině nebo mohou být vzájemně posunuté o s/2. Při vzájemném posunutí o s/2 má registr jedné smyčky oboustranný sestupný nebo podle vstupu média vzestupný charakter. Na koncích je potrubí vedeno ohybem do dalšího horizontálního úseku. Vzniklý registr jedné paralelní smyčky má charakteristický tvar úzké a do šířky velmi protažené spirály. Vnější průměr plastového a kovového potrubí d je například 6 až 25 mm, respektive %-l. Tloušťka stěny tl je například 0,3 až 2,5 mm. V případě kovového potrubí se jedná zejména o materiály měď, hliník, nerezovou ocel a slitiny s dobrou tepelnou vodivostí a zvýšenou odolností vůči korozi. Povrch kovového potrubí může být dále chráněn proti korozi například vnější extruzí z plastu, anodickou a katodickou ochranou nebo povlakováním.

Distanční zámkové desky jsou z plastu tloušťky u například 4 až 20 mm. Mezi jednotlivé distanční plastové desky na obr. 3, obr. 6 a obr. 7, je možné centrálně vložit tepelně izolační materiál 8 pro oddělení obou polovin jedné smyčky, například podle obr 6.

Tepelně izolační materiál centrálních desek musí odolávat kyselosti půdy a vodě při zachování dobrých tepelně izolačních vlastností. Při rozdělení tepelně izolačním materiálem nedochází k přímému vzájemnému ovlivnění jednotlivých polovin smyčky.

Vzniklý registr na obr. 3, respektive obr. 4 a obr. 5a) se po vyhloubení úzké drážky šířky B například 5 až 40 cm pouze vsune na dno drážky a je zpětně zasypán odebranou zeminou.

Délka jedné drážky L je například 3 až 12 m. Hloubka drážky H je například 1 až 1,5 m. Tvar a rozměry registru jsou navrženy tak, aby byl objem odebrané zeminy minimální a uložení aby bylo do maximální hloubky 1,5 m, která ještě zaručuje bezproblémovou regeneraci celého jímače. Celkový objem zeminy k manipulaci při budování zemního jímače pro tepelné čerpadlo o topném výkonu 10 kW je do 18 m³. To je zárukou rychlé postupné výstavby s minimálním zásahem do pozemku. Jímač je možné vyrobit i podle obr. 4, kde není potrubí navinuté do prodloužené spirály, ale je pouze ohnuté ve středu. Pro pravidelné dodržení roztečí je zde fixováno v zámkových deskách.

Registr jímače může být vytvořen také pomocí komorových desek nebo pásů na obr. 5a) vsunutých do velmi úzkých zemních drážek. Rez A-A komorovou deskou a zemní drážkou je na obr. 5b), ze kterého jsou patrné průřezy jednotlivých komor desky. Komory uvnitř desek nebo

-4CZ 307622 B6 pásů mohou být například kvadratické, kruhové nebo jiného průřezu při tloušťce desky t a šířce k. Délka jedné desky nebo pásuje 1.

Jednotlivé nespojitě vedené zemní drážky jsou podle obrázku 1, hloubeny ve stanovených úhlových roztečích, přednostně do kruhové výseče nebo až do 360° kruhu(ů) se společným středem. V tomto středu bude umístěn v plastovém boxu kompaktní zkrácený rozdělovač a sběrač paralelních okruhů. Rozdělovač a sběrač může být i přímou součástí skříně venkovního tepelného čerpadla. Výsečové uspořádání je optimální z hlediska stejné vzdálenosti potrubí pro napojení k místu rozdělovače a sběrače nebo přímo venkovního tepelného čerpadla a znamená rovněž menší zábor plochy.

Je možné i obdélníkové uspořádání drážek s konstantní roztečí například 0,6 až 2 m a se stranovým zkosením drážek C svedených opět do společného místa, kde je umístěn box rozdělovače a sběrače nebo přímo venkovní tepelné čerpadlo. Toto uspořádání je na obr. 2.

Pro spojení paralelních smyček v případě selankového primárního okruhu je na obr. 9 navržen kovový nebo plastový rozdělovač a sběrač ve zkrácené formě, který má na páteřním potrubí ve stejných osových roztečích privařeny kolmo do kříže výstupy pro připojení vždy dvou smyček kolektoru tak, aby mohl být co nejblíže umístěn sousedící návratový sběrač, který má stejný počet vstupů avšak vzájemně posunutých o jednu polovinu rozteče li/2=Í3 Jednotlivé výstupy mají na koncích vnější závit pro svěmé připojení paralelních smyček jímače a pro uzavírací kulové kohouty. Páteřní potrubí je opatřeno na koncích vnitřním závitem pro odvzdušňovací armaturu, pro zaslepení a pro připojení k výpamíku tepelného čerpadla. Popsaným uspořádáním je vytvořen kompaktní rozdělovač a sběrač se zkrácením celkové délky pro vestavbu až na % původní délky páteřního potrubí tradičního rozdělovače. Dosaženo je tedy maximální úspory místa ve všech směrech. To umožňuje výstup potrubí do kolektoru a návrat z kolektoru bezprostředně vedle sebe, tedy z jedné strany boxu rozdělovače a sběrače respektive skeletu tepelného čerpadla. Tímto uspořádáním rozdělovače a sběrače v primárním okruhu selankového tepelného čerpadla země-voda může být připojen větší počet paralelních smyček z jednoho menšího místa nebo přímo ze skříně tepelného čerpadla bez vzájemného křížení potrubí.

Rozdělovač a sběrač pro tepelná čerpadla s přímým vypařováním chladivá v jímači-výpamíku má chladivo rovnoměrně rozdělováno do jednotlivých paralelních smyček rozdělovači hlavicí například ve známém provedení Venturiho nebo s clonkou. Páry chladivá s unášeným olejem jsou nasávány kompresorem přes sběrač tvořený potrubím o dimenzi například sání kompresoru a přivařenými nebo svěmě spojenými konci jednotlivých smyček přímo do tohoto potrubí nebo opět přes sběrací hlavici.

Obr. 1 zobrazuje zemní výsečový jímač 34 s možností až 360° kruhového uspořádání s pravidelnými osovými roztečemi ve středu drážek 1, které jsou vedeny pod stejným úhlem například 10° až 30° a jsou spojeny do jednoho středu 35. V prostoru 36 je umístěn box 2 rozdělovače a sběrače, který je potrubím 3 propojen s vnitřním tepelným čerpadlem 4. V jednotlivých vertikálních drážkách 5 jsou uloženy a prostřednictvím rozdělovače a sběrače paralelně propojeny jednotlivé potrubní registry. Rozdělovač a sběrač může být umístěn také přímo ve venkovním tepelném čerpadle 2.

Obr. 2, znázorňuje zemní jímač s obdélníkovým uspořádáním drážek 5 s konstantní osovou roztečí R. Pozice 2 označuje opět box pro rozdělovač a sběrač nebo přímo pro venkovní tepelné čerpadlo.

Obr. 3 zobrazuje jednu paralelní smyčku potrubí 6 navinutou na distančních plastových deskách 7 šířky b s horním nebo spodním přívodem a vývodem pro připojení na rozdělovač a sběrač primárního okruhu. Mezi distanční plastové desky 7 je možné umístit tepelně izolační desky 8 kvadratického tvaru.

-5CZ 307622 B6

Obr. 4 ukazuje potrubní registr vzniklý paralelním rozdělením a spojením potrubí 13 se středovým ohybem 9. Horní nebo spodní vývod a přívod nabíhá v páteřním rozdělení 10 do počtu potrubí podle vertikální polohy ucpávky 11. Druhé vertikální sběrací spojení 12 je bez této ucpávky. Funkce Ucpávky 11 je rozdělit potrubí 10 a tím i celou smyčku na dvě části s protisměrným prouděním selankové směsi.

Obr. 5a) ukazuje paralelní smyčku zhotovenou z plastové nebo kovové komorové desky 14 nebo pásu na koncích přivalené do potrubí 15.

Na obr. 5b) jsou v řezu A-A možné průřezy jednotlivých komor desky nebo pásu čtvercový 16. obdélníkový 17 a kruhový 18 se zasypanou deskou 14 odebranou zeminou 20.

Na obr. 6 jsou řezy zemní drážkou jímače. Navinuté potrubí 6 je v jedné horizontální rovině 19 ve vrstvách s roztečí s nebo ve druhém řezu s osovým vertikálním posunutím s/2. Je vyznačena i středová poloha možných tepelně izolačních desek 8. Drážky jsou zahrnuty původní odebranou zeminou 20. Alternativně může být v drážkách do výše distanční desky h speciální výplň s vyšší tepelnou vodivostí používaná běžně pro injektáž vrtů, například Bentonit. Horní hrana distanční plastové desky 7 ve výšce h ode dna drážky je zároveň úrovní nezámrzné hranice 21 půdy v daných klimatických podmínkách.

Obr. 7 ukazuje možné tvary a provedení distančních zámkových plastových desek 7. Přednostní tvar je kvadratický 22. Další možné tvary jsou například hexagonální 23 nebo kruhový 24. Po obvodě desky jsou v pravidelných vertikálních roztečích s nebo s/2 vyvrtány zámkové otvory pro potrubí 25. Osa každého otvoru je posunuta asi o 1/3 průměru potrubí d_E směrem za hranu desky tak, aby vznikl jednoduchý zámek pro ukotvení potrubí namáčknutím. Desky 7 mohou být odlehčeny středovým vybráním 26. Vzniklé potrubní navinuté registry mohou být ukládány do výkopů horizontálně nebo i vertikálně vzhledem k jejich podélné ose.

Na obr. 8 je stočena jedna paralelní smyčka jímače z celistvého potrubí 6 a vedle jsou plastové distanční desky 7 pro ukotvení potrubí do jednoho registru. Na obrázku vpravo je stočena jedna smyčka 40 z komorové desky nebo pásu 14 s přivaleným rozdělovacím a sběracím potrubím 15. Obrázek zobrazuje jednu paralelní nebo i sériovou smyčku jímače ve složeném stavu pro skladování nebo transport.

Na obr. 9 je nakreslen kompaktní zkrácený 12ramenný rozdělovač a sběrač 28 o délce 1, který je umístěn v samostatném boxu 2 nebo může být přímo součástí skeletu selankového tepelného čerpadla alternativně také v pozici 2. Na páteřním potrubí rozdělovače a sběrače 29 je přivaleno do kříže potrubí 30 v rozteči li pro připojení vždy dvou paralelních smyček jímače 31 a 32. Tímto uspořádáním je celková délka rozdělovače zkrácena na polovinu. Nakresleným patrovým uspořádáním v nárysu obrázku 9. pak až na jednu čtvrtinu původní délky. Materiálem potrubí může být kov nebo plast. Pozice 33 označuje odvzdušňovací armaturu.

Průmyslová využitelnost

Tradiční horizontální kolektory tepelných čerpadel používají nejčastěji potrubí dimenzí 32 a 40 mm pokládaných do spojitého výkopu hlubokého kolem 1 m. Celková délka potrubí je například pro solankové tepelné čerpadlo země-voda o celkovém topném výkonu 10 kW kolem 400 m při vnějším průměru potrubí 40 mm s jímaným výkonem 16 až 17 W/m. Při rozteči kolem 1 m mezi výkopy bude celkový zábor plochy na pozemku kolem 400 m² a objem zeminy k manipulaci bude mezi 60 až 160 m³ podle zvolené metody hloubení.

Jiné způsoby používají menší dimenze potrubí jak plastového tak kovového s celoplošnou skrývkou dotčené plochy pozemku. Pro uvedené 10’ kW tepelné čerpadlo bude objem zeminy k

-6CZ 307622 B6 manipulaci asi 110 až 150 m³ podle zvoleného způsobu pokládky při využité ploše pozemku kolem 180 m².

Vertikální jímací koše nebo energetické piloty mají hloubku obvykle 2 až 14 m a průřez 25x25 až 40x40 cm kvadratický, hexagonální nebo kruhový. Pro hloubení jam se používá těžká vrtná technika nebo zemní rypadla. Systémy se hůře odvzdušňují a nejsou využitelné pro tepelná čerpadla s přímým vypařováním chladivá v kolektoru.

Kruhové spirálové kolektory typu Švec a Simky používají plastové potrubí ukládané na dno až 2 m hlubokých a 1 m širokých výkopů. Pro 10 kW systém je objem zeminy k manipulaci do 100 m³. Systémy jsou charakteristické pomalým odvzdušňováním, zhoršenou regenerací a nejsou využitelné pro tepelná čerpadla s přímým vypařováním chladivá v kolektoru.

Vertikální kolektor popsaný v SE 0302190 předpokládá hloubení výkopů 1 m širokých a 3 a více metrů hlubokých. Pro zmíněné tepelné čerpadlo s topným výkonem 10 kW bude činit manipulovaný objem zeminy 60 m³ a dotčená plocha pozemku od 40 m². Systém není využitelný pro tepelná čerpadla s přímým vypařováním chladivá v kolektoru.

Způsoby výstavby uvedených zemních jímačů vyžadují nasazení středních a těžších zemních strojů, které se hůře transportují. Nasazení takové techniky je patrné i s ohledem na uvedená množství zeminy, se kterými je nutno při výstavbě manipulovat. Investiční náklady u těchto převážně kolových nebo pásových bagrů jsou tedy vyšší.

Z pohledu minimalizace zásahu do pozemku nebo tam, kde není jeho plocha dostatečná je používán systém zemních vertikálních vrtů kolmých nebo pod úhlem. Tyto práce vyžadují použití speciální vrtné techniky. Náklady jsou však ještě vyšší než u středních kolových a pásových rypadel. Pro monovalentní tepelné čerpadlo o citovaném topném výkonu 10 kW je potřebné vyvrtat celkem asi 130 m vrtu(ů) o vrtaném průměru 130 mm s jedno, nebo dvoukruhovým potrubním nastrojením. Povolení vrtných prací pod 30 m podléhá schvalování a musí mu předcházet vypracování hydrogeologického posudku. Při vrtných pracech hrozí vždy propojení a znehodnocení jednotlivých podzemních vrstev a zvodnělin spodní vody.

Z hledisek ekonomického, ohleduplnosti a šetrnosti vůči pozemku a dále z pohledu jednoduchosti a rychlosti výstavby je zde popsaný způsob vertikálního jímače s paralelně propojenými zemními registry s horizontálním prouděním média nej výhodnější. Systém předpokládá nasazení lehkých zemních strojů, jako jsou zemní drážkovače a kolové nebo pásové minibagry. Jedná se o stroje o hmotnostech 600 až 1000 kg, které jsou snáze transportovatelné, a které pracují při nižších nákladech. Celkový objem zeminy k manipulaci pro zemní jímač monovalentního tepelného čerpadla s topným výkonem 10 kW činí pouze do 18 m³, což je více než 3x méně než u kolektoru SE 032190. Výstavba jímače přitom probíhá postupně po jednotlivých krátkých drážkách bez nutnosti spojitého výkopu nebo celoplošné skrývky. Vlastní akce a pozemek působí po celou dobu výstavby nedevastujícím dojmem. Systém je univerzálně využitelný jak pro tepelná čerpadla země-voda solanková, tak pro tepelná čerpadla s přímým vypařováním chladivá DX v kolektoru s kovovým potrubím. Umožňuje i nasazení plastových nebo kovových komorových desek nebo pásů. V případě nutnosti je možná oprava jednotlivé poškozené smyčky jímače její přímou náhradou nebo vybudováním smyčky těsně sousedící. Přírodní regenerace takového zemního jímače je velmi dobrá. Vzhledem k menší hloubce uložení pod povrchem terénu, dále vzhledem k pravidelnému rozmístění všech drážek a díky dostatečné ploše i kompaktnosti všech registrů je dosaženo optimální adaptace tohoto vertikálního jímače na přírodní regenerační cykly. Průmyslová využitelnost jímačů popsané konstrukce najde široké uplatnění při výstavbě zemních tepelných čerpadel určených pro vytápění přilehlých objektů různých velikostí anebo k ohřevu užitkové vody.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (9)

1. Geotermální jímač vertikálního typu pro jímání tepla ze země nebo z vody, který sestává z větví jímače, jež jsou umístěny do zemních výkopů nebo jsou umístěny do zemních protlaků, vrtů anebo do vody, a který je připojen prostřednictvím rozdělovače a sběrače v boxu (2) a pomocí propojovacího potrubí (3) k vnitřnímu tepelnému čerpadlu (4), nebo který je připojen k venkovnímu tepelnému čerpadlu (2), přičemž tepelné čerpadlo je napojeno k otopné soustavě objektu, se vyznačuje tím, že větve jímače jsou situovány paralelně nebo sériově a každá větev je tvořena plastovým nebo kovovým jímacím potrubím (6, 13) s nejméně jedním navinutím na distančních deskách (7) tvaru (22, 23, 24) kruhového nebo víceúhelníkového, a které mají po obvodě zámky (25), nebo je větev tvořena nej méně jednou komorovou deskou (14) nebo pásem s komorami (16, 17, 18) uvnitř, kde komory mají průřez, přičemž větve jímače jsou napojeny na rozdělovač a sběrač tepelného čerpadla a jsou umístěny do zemních drážek (5), jejichž uspořádání os (1) je přednostně paprskovité.

2. Geotermální jímač podle nároku 1, vyznačující se tím, že jímací potrubí (6, 13) je celistvé plastové nebo kovové a ovíjí distanční desky (7) protaženou spirálou s jednostranným nebo s oboustranným klesáním ohybem (37, 38) s vertikální osovou roztečí (s).

3. Geotermální jímač podle nároku 1, vyznačující se tím, že komorová deska (14) nebo pás stranně ústí do potrubí (15) pro připojení k rozdělovači a sběrači nebo pro připojení přímo k tepelnému čerpadlu.

4. Geotermální jímač podle nároku 1, vyznačující se tím, že jednotlivé zemní drážky (5) jsou od spodního okraje do výšky (h) nebo do výškového rozměru (k) vyplněny zeminou nebo jsou vyplněny hmotou, jejíž tepelná vodivost je vyšší, než je tepelná vodivost okolní zeminy.

5. Geotermální jímač podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že zámky (25) jsou tvarovány jako namačkávací pro rychlé ukotvení jímacího potrubí (6, 13).

6. Geotermální jímač podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že distanční desky (7) jsou vyrobeny přednostně z plastu a mají tloušťku (u).

7. Geotermální jímač podle nároků 1, 2 a 6, vyznačující se tím, že distanční desky (7) mají středové vybrání (26) pro úsporu materiálu, a větve jímače jsou instalovány do země horizontálně nebo vertikálně nebo jsou instalovány fixováním a zatěžkáním do vody.

8. Geotermální jímač podle nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že spojení větví jímače, kde je použito jímací potrubí (6, 13) nebo komorová deska (14) nebo pás, je provedeno pomocí kovového nebo plastového kompaktního rozdělovače (28).

9. Geotermální jímač podle nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že jímací potrubí (13) jsou navinuta na distančních deskách (7) s jedním středovým ohybem (9) a stranně ústí do rozdělovacího potrubí (10) a sběracího potrubí (12).