Nová budova ČSOB bude vytápěna a chlazena vrty, přenášející výkon až 1600 kW

Tento článek se zaměřuje na velmi zajímavý a významný projekt, který je aktuálně ve fázi realizace. Autor článku, společnost GEROtop spol. s r.o., která je zároveň autorem projektu vrtů a byla u projektu již od fáze prvotních studií, zde prezentuje zkušenosti a poznatky s přípravou, průzkumem a samotným návrhem zařízení, které s ohledem na jeho rozsah nemá v našich zeměpisných šířkách obdoby.

Nová budova ČSOB bude vytápěna a chlazena vrty, přenášející výkon až 1600 kW

Společnost ČSOB, která nyní sídlí v jen pár desítek metrů vzdáleném současném sídle z roku 2006, se rozhodla ke svému záměru novostavby přistoupit ještě více „zeleněji“. Stávající sídlo od architekta Josefa Pleskota je držitelem mnoha ocenění z řad ekologů i architektů (zlatý stupeň LEED, stavba roku 2007, Best of Realty 2007 aj.). Překonat stávající „nejzelenější“ administrativní budovou ve střední Evropě tak bylo pro investora velkou výzvou a zároveň závazkem. Výhodou investora byly jeho zkušenosti s projektováním, stavbou a zejména provozováním stávajícího sídla.

Tento článek vznikl za podpory a souhlasu investora stavby, který autorům poskytl grafické přílohy tohoto článku.

Stručné představení rozsahu projektované akce:

Jde o novostavbu administrativního objektu, jehož součástí je i Tréninkové centrum. Budova disponuje následujícími výměrami:
hrubá podlažní plocha nadzemních podlaží    27 386 m2
celková hrubá užitná plocha    67 388 m2
obestavěný objem    330 921 m3
počet pracovních míst    ±1400     
hrubá užitná plocha Tréninkového centra    3300 m2
počet posluchačů Tréninkového centra    338    

Tepelná čerpadla pro administrativní budovu pro 1400 zaměstnanců?

Začátkem roku 2013, kdy byly již známi uvažované obrysy plánované stavby, byť jen v několika architektonických studiích bylo na pořadu dne zamyslet se nad konceptem vytápění a chlazení. Již v zadání architektonické studie bylo se zdrojem energie v podobě zemních tepelných čerpadel uvažováno, ale jen jako možná varianta. Nabízela se zde i možnost napojení na stávající technickou infrastrukturu – energetická koncepce totožná se současným sídlem, tedy kombinace plynové kotelny s výrobníky chladu na střeše objektu. Investor zastoupen svými technickými poradci však chtěl od nového sídla ještě více. Navrhnout objekt, potažmo i jeho energetický zdroj „moderně“ s ohledem na nízké provozní náklady s výhledem do budoucna a zároveň pro komfort svých zaměstnanců. Právě i samotní zaměstnanci sedící ve stávajícím sídle tak měli možnost vyjádřit se například k tepelné pohodě na pracovišti, osvětlení, větrání atd. I to bylo jedním z hodnotících kritérií volby systému vytápění/chlazení potažmo zdroje a svědčí o pečlivé a důsledné přípravě. Z pohledu provozu stávajícího objektu, kdy v některých kancelářích docházelo k diskomfortu vlivem rozložení teplot, vyšla myšlenka vhodnosti nasazení velkoplošných sálavých systémů tepla/chladu s velkou tepelnou akumulací, které jsou schopny rapidně snížit výkonové špičky zejména v letních měsících, tzv. aktivace betonového jádra BKT. Pro tyto velkoplošné systémy s velkou teplosměnnou plochou není potřeba vysokých teplot na vytápění a naopak nízkých teplot na chlazení, a vytvářejí příjemné prostředí bez nepříjemných lokálních ochlazení/přehřátí místností. Jako zdroj energie pro daný systém se tak varianta tepelných čerpadel země-voda přímo nabízela. Tento zdroj dokáže s nízkoteplotním systémem vytápění/chlazení dosahovat vysokého sezónního zhodnocení elektrické energie, a značně tak přispívá ke snížení energetické náročnosti celé budovy. Zároveň jde o jedno zařízení schopné jak vytápět, tak chladit případně vytápět i chladit současně.

Zástupci investora přizvali k úvahám o možném zdroji tepla/chladu společnost GEROtop, která má s využitím blízko povrchové geotermie více jak 17-leté zkušenosti. Ta nakonec dostala důvěru „provést“ investora cestou průzkumů, studií, legislativy, dimenzováním a celé projekce spojené s problematikou geotermálních vrtů.


Kvalitní příprava, studie a průzkumy – správná cesta k úspěchu

Přístup k přípravě investičního záměru byl v našem pohledu více než příkladný. Protože čas běžel, bylo třeba co nejrychleji vyřešit, zda je tato myšlenka vůbec reálná z hlediska místních hydrogeologických poměrů, tepelně-technických vlastností podloží, vrtatelnosti apod. Jako prvním doporučeným krokem tak bylo urychleně zhotovit dva pilotní průzkumné vrty, které potvrdí „vrtatelnost“ dané lokality a odhalí reálné hydrogeologické poměry. Tyto vrty bylo poté z hlediska rozsahu daného záměru bezpečného dimenzování nutné měřit metodou TRT (thermal response test) pro zjištění tepelně-technických parametrů daného horninového prostředí. Průzkum ukázal, že vrty jsou v tomto území proveditelné a tepelně/technické vlastnosti horninového prostředí na lokalitě vykazují velmi dobré hodnoty, vhodné pro využití geotermálních vrtů pro tepelná čerpadla.

Na průzkumné vrty poté navazovala série jednání, na kterých byly upřesňovány očekávané okrajové podmínky pro předběžný návrh zdroje tepla a chladu, uvažované nákupní ceny energií, koncepty prostorového a stavebního řešení apod. Na základě těchto podkladů byly poté řešeny studie proveditelnosti, které zvažovaly různé možnosti řešení a jejich ekonomiku. Po definitivním rozhodnutí investora pro variantu geotermálních vrtů následovaly další podrobnější simulace a výpočty, do kterých byly v oblasti simulace chování budovy zapojeni i experti z pražské vysoké školy ČVUT, v oblasti chování vrtného pole společnost GEROtop. Veškeré závěry a debaty ohledně možného přenášeného výkonu a možných dodaných energií pomocí vrtného pole poté vedly až k finálnímu zadání pro tvorbu projektové dokumentace a zahájení legislativního řízení. Zde kromě projektové dokumentace vrtů bylo nutné provést velmi podrobný hydrogeologický posudek, který „ubezpečil“ odbor životního prostředí o nevýznamném dopadu daného zařízení z hlediska změn hydrogeologických poměrů, chráněných území a střetu zájmů, okolních jímacích objektů (studen) apod. Vrtné pole dostalo i díky kvalitním podkladům a provedeným průzkumům od úřadů „zelenou“, a celý systém byl připraven zkoordinovat se s finálními výstupy všech dotčených profesí v realizační dokumentaci stavby.

Projektovaný systém, návaznost profesí, koordinace

V realizační dokumentaci stavby bylo nakonec uvažováno s celkovým počtem 177 geotermálních vrtů + 2 již provedené zkušební vrty, které budou zapojeny do systému jako jeho nedílná součást. Veškeré vrty jsou situovány pod základovou desku objektu, jsou rozděleny do celkem 8 samostatně řízených polí a budou schopny přenášet výkon kompresorových jednotek až 1300 kW na straně vytápění, při chlazení budou vrty přenášet odpadní teplo o špičkovém výkonu až 1600 kW! S ohledem na bilance energií objektu, hydrogeologické podmínky, resp. výsledky měření TRT a další faktory bylo nutné vrtné pole koncipovat pro akumulační způsob využívání s hlídáním/monitorováním provozních teplot i energií v systému. Vrtné pole tak bude provozováno jako jakýsi velký podzemní akumulátor, který bude sezónně nabíjen teplem (maření odpadního tepla při chlazení, a pasivní chlazení) a poté vybíjen odběrem tepla při vytápění pomocí tepelných čerpadel. Zařízení je navrženo jako monovalentní zdroj vytápění a bude tak schopno přenášet i výkonové špičky v topné sezóně. Proto nebylo nutné doplňovat systém o plynovou kotelnu ani o její přípravu pro budoucí osazení. Veškerá důvěra na zajištění tepelné pohody padla na bedra technologii tepelných čerpadel. Požadovaný chladicí výkon v letním období téměř 2x převýšil požadovaný výkon na vytápění, což je u moderních administrativních budov běžné. Dimenzovat geotermální vrty na přenášení špičkových výkonů pro chlazení nebylo s ohledem na prostor reálné, a hlavně by nebylo ekonomické. Proto byly geotermální vrty pro tropická letní období doplněny o hybridní chladicí věže, odvádějící odpadní teplo na kondenzátorové straně kompresorových jednotek. Jejich provoz je uvažován zejména v době teplotních špiček a jako záložní zdroj pro odvod tepla. Drtivá většina energie chlazení však bude pokryta pomocí vrtů.

Geotermální vrty byly dimenzovány pomocí numerického simulačního modelu, který byl zatížen předepsanými odběry a dodávkami tepla v uvažovaných měsíčních poměrech. Dalšími vstupními podmínkami pro simulace byly parametry podloží, získané měřením TRT na dvou zkušebních vrtech. Výstupem výpočtu jsou poté informace o maximálních a minimálních teplotách systému v rámci každého roku, případně měsíce. Systém byl projektován pro ustálený a udržitelný stav s ohledem na minimální teplotní ovlivnění sousedních pozemků a staveb, případně staveb plánovaných. Tento základní přístup k dimenzování ovšem nezobrazuje geometricky celkový teplotní výkyv, resp. dosah teplotních změn v podloží jak v horizontálním směru, tak ve směru vertikálním, tedy po hloubce vrtů. Proto bylo v rámci dodavatelské dokumentace stavby doporučeno sestrojení 3D modelu šíření tepla a podzemních vod, který dokáže mnohem lépe zobrazit výše uvedené teplotní změny v podloží a též vyhodnotit vliv zařízení na stávající přirozené proudění podzemní vody. Tento přístup k dimenzování rozsáhlejších akcí je na západ od našich hranic již standardem a zvyšuje bezpečnost navrhovaných systémů před „vytěžením“ lokality. Jako příklad z dimenzování vrtných polí pomocí 3D modelu můžeme uvést aktuálně připravovaný projekt energeticky úsporné vesnice Nebřenice, kterým se společnost GEROtop aktuálně zabývá.



Zpět ale k projektu nového sídla ČSOB SHQ a jeho řešení. Celý systém bude provozován v podstatě ve třech provozních režimech:
- zimní provoz – vytápění pomocí tepelných čerpadel při využití odpadního tepla z provozu objektu a nízko potencionální energie z geotermálních vrtů
- letní provoz – chlazení pomocí tepelných čerpadel při využití geotermálních vrtů a chladicích věží k odvodu odpadního tepla
- přechodné období – nejefektivnější provoz budovy, využívání geotermálních vrtů k volnému chlazení (free cooling) objektu pouze za cenu oběhových prací + využívání nočního provětrávání objektu k akumulaci chladu do
konstrukcí. Provoz kompresorových jednotek v tomto období je pouze pro přečerpávání energií v rámci objektu.

Jak již bylo uvedeno, veškeré vrty pro TČ byly umístěny pod základovou desku objektu. Vzhledem k rozsahu a náročnosti daného systému co do trasování horizontálních rozvodů, umístění sběrných – systémových prostupů skrz bílou vanu, umístění technologie rozdělovačů/sběračů v rámci samostatných místností apod. probíhala náročná koordinační jednání s dotčenými profesemi pro vyřešení všech otázek proveditelnosti a ke spokojenosti a souladu se stavbou a požadavky již vybraného zhotovitele. Výkresová dokumentace se tak měnila doslova každý týden a stále více se přibližovala kýženému cíli. Vrtné pole bylo nakonec naprojektováno z úrovně provádění v rámci podkladního betonu, veškeré rozvody poté byly zality další vrstvou armovaného podkladního betonu a teprve poté bude vylita základová deska – bílá vana. S ohledem na požadavky vodotěsného řešení prostupů skrz bílou vanu byly navrženy systémové multi-pažnice s těsnicími vložkami tvořící certifikovaný systém s tlakovou odolností min. 3 bar (30 m vodního sloupce). Rozteče jednotlivých pažnic přímo navazují na rozteče rozdělovačů/sběračů umístěných v místnostech nad nimi a celý detail je tak profesionálně vyřešen. Řešených detailů zde byla velká spousta a projekt byl řešen doslova pod drobnohledem.

Monitoring a optimalizace systému

Návrh systému primárního okruhu tepelných čerpadel potažmo návrh samotných tepelných čerpadel jakožto zdroje tepla a chladu, vychází vždy z určitých předpokladů (počet osob, tepelná ztráta, tepelné zisky, uvažovaný provoz apod.). Tyto předpoklady se ovšem od reálného stavu vždy více či méně liší a tím mohou systém vyvést z rovnováhy. Proto je nutné u systémů tohoto rozsahu zajistit, aby fungovaly co možná nejefektivněji a nejhospodárněji a jeho ekonomická návratnost byla co nejkratší. Za tímto účelem projektová dokumentace předepsala zřídit monitoring systému, který bude měřit a následně ukládat data (energie, teploty) v určitém časovém intervalu. Zjištěná data z každého roku poté povedou k optimalizaci provozu technologie v roce následujícím, zjednodušeně řečeno ve smyslu: je možné do vrtů ukládat více tepla při chlazení, protože se teploty neblíží hraničním teplotám, případně naopak.

Vzhledem k bezpečnému návrhu a informovanosti o teplotách podloží pod objektem SHQ bylo v rámci celého vrtného pole vybráno celkem 16 referenčních vrtů. Tyto referenční vrty budou sloužit pro měření teplot podloží ve 4 výškových horizontech. Referenční vrty budou vybaveny teplotními čidly po výšce vrtu v předepsaných hloubkách.  Kabely od čidel poté budou napojeny vždy do datové sběrnice umístěné v místě příslušného rozdělovače/sběrače. Teploty se opět budou zaznamenávat do systému monitorovacího zařízení Mar.

Závěrem

Projekt zdroje a chladu využívající geotermální energii u nového sídla společnosti ČSOB je svým rozsahem jistě největším projektem v rámci České republiky a jedním z největších v rámci celé střední Evropy. Investor obklopený svými technickými poradci a týmem projektantů k projekčnímu záměru přistoupil velmi zodpovědně a návrh zdroje předem důkladně zvážil. Projekt vrtů na akci ČSOB SHQ zároveň ukázal, že pro administrativní objekty s vysokými požadavky na chlazení mají tepelná čerpadla v kombinaci s vrty smysl a je možné s nimi počítat jako s monovalentním zdrojem energie.

Autor:
Vedoucí oddělení projekce
Ing. Pavel Dědina; GEROtop spol. s r.o.

Grafické přílohy:
Československá obchodní banka, a. s.

Firma

Vyhledávač stavebních pojmů

Nechte si zasílat měsíční newsletter

Na facebooku

NAŠI PARTNEŘI Další partneři