PRIROČNIK O UPORABI TOPLOTNIH ČRPALK by nuša mecilošek

OPERATIVNI PROGRAM SLOVENIJA - MADŽARSKA 2007 - 2013

PRIROČNIK O UPORABI GEOTERMALNIH TOPLOTNIH ČRPALK

v okviru projekta

»Pregled rabe geotermalne energije, ocena podzemnih teles termalne vode in priprava skupnega načrta upravljanja vodonosnikov v Mursko‐ Zalskem bazenu«

T‐JAM

Projektni partnerji:

Geološki zavod Slovenije

Nyugat-dunántúli Környezetvédelmi és Vízügyi Igazgatóság Avtorji poročila: mag. Andrej Lapanje mag. Dušan Rajver Edgár Székely Sodelavci na projektu: Špela Kumelj mag. Joerg Prestor Simon Mozetič István Juhász Péter Bányai Laura Tóth István Hamza

Direktor GeoZS:

Direktor NYUDUKÖVIZIG:

doc. dr. Marko Komac

István Nádor

Ljubljana, Szombathely, 30.8.2010

Kazalo 1

UVOD ................................................................................................................................................... 1

TEMPERATURA PODZEMLJA IN GEOTERMALNA ENERGIJA .............................................. 2

OSNOVE GEOLOGIJE...................................................................................................................... 5

PRINCIP DELOVANJA TOPLOTNIH ČRPALK............................................................................. 7

PLITVI GEOTERMALNI SISTEMI ................................................................................................. 11 5.1 TOPLOTNE ČRPALKE ZEMLJA – VODA................................................................................. 14 5.2 TOPLOTNE ČRPALKE VODA–VODA ....................................................................................... 18 5.3 PREDNOSTI IN SLABOSTI GEOTERMALNIH TOPLOTNIH ČRPALK ............................... 20 5.4 PRAKTIČNA NAPOTILA............................................................................................................... 22 5.5 OKOLJEVARSTVENI VIDIKI ....................................................................................................... 23 5.6 TRG GEOTERMALNIH TOPLOTNIH ČRPALK........................................................................ 24

ZAKONODAJA.................................................................................................................................. 26 6.1

EUROPSKA ZAKONODAJA................................................................................................... 26

6.2

SLOVENSKA ZAKONODAJA................................................................................................. 31

6.3

TEŽAVE PRI REGULACIJI PODROČJA GEOTERMALNIH ČRPALK V PRAKSI ........ 33

PODPORNI MEHANIZMI (krediti, subvencije) IN OBREMENITVE ......................................... 33 7.1

PODPORNI MEHANIZEM V SLOVENIJI ............................................................................. 33

PRIMER UMESTITVE TEHNOLOGIJE TOPLOTNIH ČRPALK V SLOVENIJI ...................... 34

VIRI ..................................................................................................................................................... 42

RELEVANTNI SPLETNI VIRI ..................................................................................................... 42

1 UVOD V Evropi je danes uporaba obnovljivih virih energije (OVE) v porastu, deloma zaradi težnje po zmanjšanju energetske odvisnosti od uvoza energentov, deloma zaradi zavez Kjotskega sporazuma o zmanjšanju izpustov CO2, in deloma tudi zaradi nižje cene energije, pridobljene na ta način. Eden izmed obnovljivih virov energije je tudi geotermalna energija. Naslednja definicija geotermalne energije, ki jo uporablja Evropska Skupnost in tudi združenje EGEC, je enostavna in najprimernejša: »Geotermalna energija pomeni v obliki toplote shranjeno energijo pod trdnim zemeljskim površjem« (EU Direktiva 2009/28/ES o promociji OVE). Za uporabo geotermalne energije je na voljo širok spekter tehnologij. Njihova uporabnost se ravna zlasti po nivoju temperature toplotnega vira, zato so področja uporabe razdeljena v plitvo geotermalno energijo in globoko geotermalno energijo. Plitvo ležeči geotermalni sistemi ležijo do globine okrog 400 m, s temperaturo do približno 25°C, glede na klasifikacijo geotermalnih sistemov. Ta razmejitev, ki jo je leta 1987 določil Zvezni urad za energetsko gospodarstvo Nemčije, se je, vsaj v Evropi, nekako uveljavila (npr. VDI smernica 4640), v Sloveniji sicer meja med plitvimi in globokimi geotermalnimi sistemi ni uradno definirana. Ena izmed najbolj prodornih področij izkoriščanja OVE v Evropi, je uporaba toplotnih črpalk za ogrevanje in hlajenje ter pripravo sanitarne vode. Poznamo več tipov toplotnih črpalk, npr. zrak-voda, voda-voda in zemlja-voda. V tem priročniku bomo obravnavali le geotermalne toplotne črpalke, ki so v direktivi Evropske Skupnosti 2010/31/ES, definirane kot stroj, naprava ali sistem, ki prenaša toploto iz naravnega okolja (podzemna voda ali zemlja) v stavbo ali za uporabo v industriji, s preusmeritvijo naravnega toka toplote tako, da potuje od nižje k višji temperaturi. Pri povratnih toplotnih črpalkah je možno tudi prehajanje toplote iz stavbe v naravno okolje. Geotermalna toplotna črpalka, znana tudi kot toplotna črpalka na vir toplote iz tal (angl. ground source heat pump - GSHP), je visoko učinkovit obnovljiv vir energije, sprejemljiv tako za ogrevanje prostorov in hlajenje stanovanjskih kot tudi poslovnih stavb in pripravo sanitarne vode. Njihova velika prednost je, da delujejo z zbiranjem naravno obstoječe toplote, ne pa s proizvodnjo toplote pri zgorevanju fosilnih goriv. V priročniku najprej podajamo pregled osnovnih geoloških in geotermičnih značilnosti ter zakonitosti termogeologije, ki se ukvarja s študijem pojavljanja, gibanja in izrabe nizkoentalpijske toplote (s temperaturo manj od 30°C) v relativno plitvem (< 200 m) delu geosfere (Banks, 2008). V osrednjem poglavju opisujemo principe delovanja geotermalnih toplotnih črpalk, njihove možnosti in uporabnost. Nadalje so prikazani evropski, slovenski in madžarski zakonski okviri, znotraj katerih se promovira in regulira tehnologija geotermalnih toplotnih črpalk. Ker je to tehnologija uporabe OVE in gre za razpršeno proizvodnjo energije, to hkrati pomeni, da so investicijski stroški večji in ne more konkurirati z razvito tehnologijo pridobivanja energije iz konvencionalnih energentov. Pri premagovanju tega praga naj bi priskočila na pomoč država s podpornimi mehanizmi, kot so krediti z znižano obrestno stopnjo, subvencije in delno ali popolno odpravo obveznosti plačevanja dajatev za dejavnost pridobivanja

geotermalne energije. Tu je potrebno še marsikaj postoriti. Za slovenske razmere je opisan tudi postopek umeščanja tehnologije toplotnih črpalk v prostor. Namen teh priporočil je torej predstaviti osnovne zakonitosti toplotnih črpalk, pomembne točke zasnove in postavitve geotermalnih toplotnih črpalk ter opozoriti na kaj vse je potrebno biti pozoren pri njihovem načrtovanju. Za trajnostno in uspešno načrtovanje sistemov geotermalnih toplotnih črpalk, je potrebno vključiti znanja različnih strokovnjakov: od arhitekta, inštalaterja ogrevalnih, ventilacijskih in klimatskih naprav ter geologa in vrtalca, saj le skupinsko delo omogoča najboljše rešitve. Vseh podrobnosti ni mogoče vključiti v priročnik, zato so na koncu navedeni literatura in relevantni spletni naslovi, kjer je mogoče pridobiti dodatne informacije o toplotnih črpalkah.

2 TEMPERATURA PODZEMLJA IN GEOTERMALNA ENERGIJA Kamnine, sedimenti in podzemna voda pod površino Zemlje hranijo toploto; plitvo podzemlje lahko opredelimo kot ogromni zbiralnik toplote. Tla se poleti segrevajo s sončno energijo. Toplotna prevodnost (sposobnost materiala za prevajanje toplote) naravnih materialov je skromna, kar onemogoča takojšno razpršitev uskladiščene toplote, vendar ne tako nizka, da je ne bi mogli izčrpati iz tal s pomočjo toplotnih izmenjevalcev. Sposobnost materiala, da uskladišči toploto, se imenuje specifična toplotna kapaciteta. Ta nam pove, koliko toplote lahko pridobimo iz enega kubičnega metra kamnine z znižanjem temperature za 1 K. Toplota se prenaša s tremi glavnimi mehanizmi: -

prevajanjem, strujanjem (konvekcijo) in sevanjem (radiacijo).

Na toplotno prevodnost kamnin najbolj vplivajo mineralna sestava (višja kot je vsebnost kremena, višja je prevodnost), poroznost (vsebnost vode) in prepustnost materiala. Tipična toplotna prevodnost kamnin in geoloških materialov je med 1 in 4 W/(mK). Specifična toplotna kapaciteta vode je 4186 J/(kgK), za večino kamnin pa se ta vrednost giblje med 800 in 1000 J/(kgK). To pomeni, da je možno s strujanjem (konvekcijo) podzemne vode prenašati velike količine toplote. Pri načrtovanju in dimenzioniranju geotermalnih toplotnih črpalk je koristno poznati, kako se spreminjajo temperature v plitvem podzemlju v podnebnih razmerah Srednje Evrope. Na to nam lahko odgovorijo dolgotrajnejše meritve do globine vsaj 20 metrov. Na temperaturo plitvega podzemlja v veliki meri vpliva letna povprečna temperatura zraka, tako da toplota, ki jo odvzamemo z geotermalnimi toplotnimi črpalkami, predvsem prihaja iz v zemeljskem površju absorbirane sončne energije. Zunanji vir Zemljine toplote je sevanje Sonca. Poleti se površina Zemlje zaradi intenzivnega sončnega sevanja in povišanih temperatur zraka segreva. Med najbolj značilnimi periodičnimi spremembami so dnevne in letne temperature na površju Zemlje, ki vplivajo na obliko geoterm (potek temperature z globino) v podzemlju. Letne spremembe temperature prodrejo skoraj 20-krat globlje kot dnevne (slednje le 2

1 do 2 m). Letne spremembe lahko ponazorimo s profili temperatur, ki se merijo na naši opazovalnici Malence pri Kostanjevici. Iz spodnje slike je razvidno, da toplota Sonca ne seže globlje kot nekaj deset metrov pod površino.

Slika 1. Profili temperatur z globino, ki so merjene na opazovalnici Malence (T-z profili povprečnih temperatur na 15. dan v vsakem mesecu leta 2008). Črna črta predstavlja letno poprečje.

Iz večletnega opazovanja na isti opazovalnici vidimo na sliki 2, kako se spreminjajo dnevna poprečja v različnih globinah:

Slika 2. Dnevna poprečja temperatur v globinah od 1 do 10 m, merjenih na opazovalnici Malence v obdobju od 1. dec. 2003 do 14. apr. 2005.

Iz obeh slik opažamo, da se v grobem letne spremembe precej izgubijo že do globine 10 m, čeprav so manjše variacije (nekaj desetink stopinje) še opazne do globine 20 m. Iz slike 2 je tudi razvidno, da maksimumi in minimimumi temperaturnih krivulj z globino časovno zaostajajo. Velikost sprememb je seveda odvisna od geološke sestave in termičnih lastnosti zemljin in kamnin. Sedanje toplotno polje v Zemlji je posledica notranjih (planetarnih) izvorov in zunanjih (kozmičnih) izvorov. K notranjim izvorom prištevamo v glavnem toploto razpada radioaktivnih izotopov, manj je ostankov energije zgoščevanja planeta pri samem nastajanju našega planeta. Zemljina toplota neprestano uhaja skozi njeno površino v vesolje, kar ugotavljamo z določanjem gostote toplotnega toka (GTT). Pri velikosti sedanje GTT odpade 83% na toploto razpada radioaktivnih izotopov in le 17% na ohlajanje Zemlje (Gosar in Ravnik, 2007). Vrednosti GTT se najbolje določajo z zveznimi meritvami temperature, z globino v čim globljih vrtinah (temperaturni gradient) in meritvami toplotne prevodnosti kamnin v odsekih, kjer se meri temperatura. Povprečna GTT na Zemlji je 87 mW/m2, samo na celinah pa znaša 65 mW/m2. V Sloveniji je GTT v povprečju 60 mW/m2, vendar so njene vrednosti, seveda, zelo različne in segajo od samo 30 mW/m2 in manj v hribovitem in gorskem 4

svetu zahodne, južne in delno severne Slovenije, pa do okrog 150 mW/m2 v Prekmurju, kar je predvsem posledica nižjih oziroma višjih temperaturnih (geotermičnih) gradientov. V prvih zgornjih nekaj kilometrih Zemljine skorje znaša geotermični gradient na celinah v poprečju 30°C/km.

3 OSNOVE GEOLOGIJE Geološka situacija je tisti del načrta postavitve geotermalne toplotne črpalke (GTČ), ki je načrtovalec sistema ne more spremeniti. Zato se mora načrt prilagoditi geologiji, in to zahteva poznavanje geoloških podatkov (Sanner, 2010):  tip kamnine in trdota (za vrtanje vrtin ali vodnjakov za GTČ),  termične značilnosti tal in plitvega podzemlja (za delovanje GTČ) in  situacija podtalne vode (za vrtanje in delovanje GTČ). Geološki razvoj neke regije je v geološkem času lahko silno pester. Skozi čas so se v splošnem usedale različne zemljine in kamnine, ki so pretrpele različne procese diageneze, predvsem konsolidacije, strjevanja ipd., v odvisnosti od prisotne temperature in pritiska po samem usedanju, ter seveda v odvisnosti od prisotnih tekočin. Tako lahko glede na pestro geološko zgradbo Slovenije pričakujemo hitro spremenljive pogoje vrtanja na območjih, kjer so stikajo različne vrste kamnin. Na območju Severovzhodne Slovenije (enako na območju Železne in Zalske Županije), kjer prevladujejo klastične sedimentne kamnine terciarne starosti in kvartarni sedimenti, prevladuje rotacijsko vrtanje (z izplako), na območjih, kjer so razvite karbonatne, magmatske ali metamorfne kamnine, pa do globin okrog 250 m prevladuje udarno vrtanje.

Slika 3. Območja prednostnih metod vrtanja v Sloveniji. Osnova karte je enostaven geološki prikaz litoloških enot.

Na odločitev o načinu vrtanja, in predvsem na vrsto uporabljene tehnologije toplotnih črpalk, vpliva tudi hidrogeološka zgradba ozemlja. Ločimo naslednje tipe vodonosnikov (Struckmeier et al., 1995):

Slika 4. Tipi vodonosnikov, standardna hidrogeološka legenda (prirejeno po Struckmeier et al., 1995).

Poznavanje hidrogeološke zgradbe terena je pomembno zaradi izbire pravilne metode vrtanja, in da se izognemo presenečenjem, kot so trde ali mehke plasti ali prisotnost vode. Možne so namreč situacije, ko je med vrtanjem potrebno preiti iz enega načina vrtanja na drug način, predvsem takrat, ko se vrtine vrtajo na območjih s kamninami mešane litološke sestave (npr. menjavanje karbonatnih in glinastih kamnin) z različno trdoto in prepustnostjo. V razpoklinskih vodonosnikih je vrtanje večinoma udarno. Paziti je potrebno takrat, ko obstaja možnost navrtanja zaprtega ali arteškega vodonosnika, predvsem kadar se vrta za geosonde (vertikalni toplotni izmenjevalec). V primerih arteških vodonosnikov je otežena tudi reinjekcija vode. V nesprijetih sedimentih z medzrnsko poroznostjo je potrebno začasno cevljenje, vrtanje pa je prevladujoče rotacijsko.

4 PRINCIP DELOVANJA TOPLOTNIH ČRPALK Toplotna črpalka je naprava, ki črpa toploto iz nižje temperaturnega okolja (površinska voda, tla, podzemna voda, kamnine) v višje temperaturno okolje (centralno ogrevanje). Toplotne črpalke za njihovo delovanje potrebujejo električno energijo. Nižje temperaturni primarni vir toplote moramo nekako vpeti na uparjalnik toplotne črpalke in dobimo geotermalno toplotno črpalko. Geotermalne toplotne črpalke izkoriščajo dejstvo, da Zemlja (pod površjem) ostaja, pri relativno stalni 7

temperaturi skozi celo leto, toplejša kot zrak nad njo med zimo in hladnejša med poletjem, podobno kot v kraški jami. Pozimi se prenaša shranjena toplota iz tal ali podzemne vode v zgradbo, poleti pa iz zgradbe nazaj v podzemlje. Z drugimi besedami, tla delujejo pozimi kot vir toplote in poleti kot ponor toplote. Toplotne črpalke prenašajo toploto s kroženjem hladilnega sredstva skozi kompresijsko-ekspanzijski cikel (Banks, 2008): 1. V toplotnem izmenjevalcu (uparjalniku) hladno sredstvo kroži pri zelo nizki temperaturi. Ko hladilno sredstvo pri toplotni izmenjavi s primarnim fluidom prične izparevati, absorbira velike količine latentne izparilne toplote. 2. Hladilno sredstvo v obliki pare pri višji temperaturi potuje skozi kompresor, ki ga poganja električna energija. Pri stiskanju plina temperatura narašča. Stisnjen plin se zato pojavi iz kompresorja z zelo visoko temperaturo. 3. Tako ogreto hladilno sredstvo potuje skozi drug toplotni izmenjevalec (kondenzator), kjer se toplota odda v krogotok centralnega ogrevanja. Para prične kondenzirati nazaj v tekočino, kar oddaja še več latentne toplote. Po prehodu kondenzatorja je hladilno sredstvo še vedno pod tlakom. 4. Hladilno sredstvo dokonča cikel s prehodom skozi ekspanzijski ventil, pri čemer se temperatura hladilnega sistema zniža.

Slika 5. Princip delovanja toplotne črpalke (povzeto po http://www.heatpumpcentre.org/)

Hladilno sredstvo v toplotni črpalki mora biti termično obstojno, imeti mora primerno specifično toplotno kapaciteto, imeti mora izparilnost, ki odgovarja delovni temperaturi in tlaku toplotne črpalke, in mora biti okoljsko neškodljivo. Električna energija, ki se uporablja za pogon kompresorja toplotne črpalke, se delno spremeni v zvočno energijo kompresorja, v večini pa v toplotno energijo, ki se absorbira v hladilnem sredstvu in se v kondenzatorju odda v sistem centralnega ogrevanja (slika 5).

Delovna temperatura, na katero moramo segreti fluid v toplotni črpalki, je odvisna od sistema centralnega ogrevanja: >60°C 45-55°C 30-45°C 25-30°C

v primeru starega konvencionalnega sistema centralnega ogrevanja z vročo vodo, v primeru modernejšega nizkotemperaturnega sistema centralnega ogrevanja z veliko površino radiatorjev, v primeru talnega vodnega centralnega ogrevanja in v primeru uporabe kroženja toplega zraka za ogrevanje.

Nivo, na katerega moramo dvigniti temperaturo vode v toplotni črpalki, zelo vpliva na njen koeficient učinkovitosti. Dana toplotna črpalka nima fiksnega koeficienta učinkovitosti (COPH), le-ta je odvisen od pogojev delovanja in temperature. Višja kot je delovna temperatura toplotne črpalke ali nižja kot je temperatura vira toplote, nižja je učinkovitost. COPH je tem višji, tem manjša kot je razlika med vhodno in izhodno temperaturo toplotne črpalke. Koeficient učinkovitosti za idealni Carnotov cikel (Heap, 1979) je enak: , kjer so H E Θ1 Θ2

toplotna energija, pridobljena s toplotno črpalko, električna energija porabljena za delovanje toplotne črpalke, temperatura fluida na izhodu iz toplotne črpalke in temperatura fluida na vhodu v toplotno črpalko primarni vir (podzemne vode, kamnin ali tal).

Resnični faktor učinkovitosti je nižji od idealnega (Heap, 1979) zaradi: -

temperature izmenjevalnika (Θ2), ki je običajno veliko nižja od temperature okoljskega vira zaradi hitrejšega prenosa toplote iz okolja na hladilno tekočino, prav tako je temperatura kondenzatorja Θ1 višja od temperature ogrevanega prostora, resnične parno kompresijske toplotne črpalke ne uporabljajo Carnotovega cikla parne kompresije, temveč Rankinov cikel, ki je bolj praktičen vendar manj učinkovit in izgub kompresorja in drugih komponent v sistemu.

Pa poglejmo, koliko toplotne moči je mogoče pridobiti v idealnih pogojih s preprosto toplotno črpalko voda – voda, ki črpa podzemno vodo iz vrtine. Temperatura podzemne vode v Sloveniji je okoli 11 °C. S črpalko iz vrtine črpamo Q = 1l/s podzemne vode in jo vodimo na uparjalni toplotni izmenjevalec naše toplotne črpalke. Toplotna črpalka odvzame podzemni vodi toplotno energijo (G) in jo pri tem ohladi. Značilni padec temperature Δθ je enak 5 °C. Podzemna voda, ki jo je potrebno reinjektirati nazaj v vodonosnik, ima tako 6 °C. Odvzeta toplota se nato v toplotni črpalki odda pri višji temperaturi v sistem centralnega ogrevanja. Če privzamemo, da je izguba energije zaradi hrupa zanemarljiva in se vsa odvzeta

toplota in toplota kompresije učinkovito prenese do točke uporabe, je toplotna energija H, pridobljena s toplotno črpalko, podana kot H ≈ G + E, kjer je G podzemlju odvzeta toplota in E električna energija, ki je potrebna za delovanje črpalke. Ker pa poznamo specifično toplotno kapaciteto vode, ki smo ji znižali temperaturo za 5°C pri pretoku 1 l/s, je G enaka G = Q * Δθ * sv = 1 L/s * 5 K * 4186 J/(L*K) = 20,93kW.

Če nabavimo toplotno črpalko s faktorjem učinkovitosti 4, in vemo,da je pomeni, da je

, to

H = 20,93 kW * 4/3 = 27,9 kW in E = 6,97 kW. Pri tem moramo upoštevati, da električno energijo porabljamo tudi za črpanje podzemne vode iz vrtine, prav tako elektriko porabljajo tudi obtočne črpalke ogrevalnega sistema. Za to je bil za toplotne črpalke definiran sezonski faktor učinkovitosti SPFH, ki je povprečen faktor učinkovitosti COPH za obdobje celotne ogrevalne sezone, za celoten sistem pa je bil definiran sezonski faktor učinkovitost sistema (SSPFH), ki upošteva vso porabo električne energije v sistemu.

Vedeti moramo tudi, da je tipičen čas obratovanja (ekvivalentne ure delovanja) odvisen tudi od trajanja ogrevalnega obdobja, v Srednji Evropi je to 1800 ur/leto. Če geotermalno toplotno črpalko obrnemo, tako da odvzamemo toploto iz stavbe (jo ohladimo) in toploto odvedemo v tla ali v podzemno vodo, govorimo o toplotni črpalki, ki deluje v hladilnem načinu. Pri tem se tlem ali podzemni vodi temperatura za nekaj stopinj zviša.

Tudi tu lahko definiramo koeficient učinkovitosti COPC, ki je enak , kjer je C toplotna energija, ki je bila odstranjena iz stavbe (kW). Celotna toplota, ki je bila odvedena v tla je tako enaka 10

. Pri primerjavi zgornjih dveh enačb lahko vidimo, da je količina v tla odvedene toplotne energije, ki je potrebna da se stavbi pri hlajenju odvzame 1 kW toplotne energije, bistveno večja od količine tlem odvzete toplotne energije, ki je potrebna da se stavbi dovede 1kW za ogrevanje. V ogrevalnem načinu se električna energija, ki poganja toplotno črpalko, spremeni v uporabno toploto, ki prispeva k zagotavljanju toplotnih zahtev stavbe, v hladilnem načinu pa se električna energija spremeni v še več odpadne toplote, ki jo je potrebno odvesti iz stavbe. Uporaba toplotnih črpalk za hlajenje ni niti poceni niti ni tako učinkovita s stališča zmanjševanja izpustov CO2 kot pasivno hlajenje, kjer po ceveh centralnega sistema ogrevanja kroži hladna voda, vendar je vsaj 20-40% učinkovitejša kot običajne klimatske naprave zrak/zrak (Banks, 2008).

5 PLITVI GEOTERMALNI SISTEMI Geotermalne toplotne črpalke obeh tipov (zemlja-voda in voda-voda) (Lund, 2000) izrabljajo temperaturo tal (plitvega podzemlja), ki je večinoma v razponu od 5 do 30°C, in sicer:  bodisi premeščajo toploto iz nizko temperaturnega vira na visoko temperaturni zbiralnik (ogrevanje),  ali pa premeščajo toploto iz visoko temperaturnega vira na nizko temperaturni zbiralnik (hlajenje). V splošnem imamo dva možna scenarija za koriščenje stalne nizke temperature tal: 1. povišati temperaturo zemeljske toplote na uporabljiv nivo s toplotno črpalko – geotermalna toplotna črpalka ali točneje toplotna črpalka na vir talne toplote (angl. Ground Source Heat Pump), 2. povišati oziroma znižati temperaturo v tleh s shranjevanjem toplote (v procesu hlajenja) oziroma odvzemanjem (ekstrakcijo) toplote (shranjevanje hladu); s tem umetno spreminjamo temperaturo v podzemlju - UTES (angl. Underground Thermal Energy Storage). Plitvi geotermalni sistemi so zelo prilagodljivi in se lahko priredijo na skoraj vsako podzemno stanje. Talni sistem je tipično (značilno) povezan na toplotno črpalko za doseganje dovolj visokih temperatur. Obstajata dve osnovni vrsti geotermalnih toplotnih črpalk: na zemeljski vir toplote (zemlja-voda, angl. ground-coupled heat pump) v postavitvi kot zaprti krog in na vodni vir toplote (voda-voda, angl. watersource) kot odprti krog. Poznamo različne plitve geotermične metode oziroma postavitve za odjem toplote iz plitvega podzemlja (Sanner, 2010; Lund, 2008):

Globina postavitve Z zaprtim krogom (zemlja-voda):  Vodoravne zanke (kolektorji v jarkih)  Toplotni izmenjevalnik v vrtini (navpične zanke)  Energijski koli 8 – 45 m  Zvitki (angl. »slinky«) Z odprtim krogom (voda-voda):  Vodnjaki s podtalnico (s ponikalno vrtino)  Voda iz jezer in potokov  Voda iz rudnikov in predorov

1,2 - 2.0 m 10 - 250 m

4 – 50 m

Učinkovita metoda z odprtim krogom je, na primer, vodnjak s podzemno vodo. Tu se prenos toplote odvija od podzemlja na vrtino zaradi tlačne razlike (črpanje) (Sanner, 2010). Izdelati je potrebno črpalno in ponikalno vrtino. Na energijski učinek sistema geotermalne toplotne črpalke lahko vplivajo trije osnovni faktorji (Lund, 2000):  kompresor toplotne črpalke,  obtočne črpalke ali potopne črpalke (v vodnjaku) in  značilnosti podtalne vode ali talne povezave (povezave s plitvim podzemljem). Toplotna črpalka je največji posamezni potrošnik energije v sistemu (Lund, 2000). Njen učinek je funkcija dveh stvari: nominalne učinkovitosti stroja in temperature vode, pridobljene s talno povezavo (angl. ground-coupling), bodisi v ogrevalnem ali hladilnem načinu. Najpomembnejša strategija v sestavljanju učinkovitega sistema je pričeti z učinkovito toplotno črpalko. Težje in dražje je namreč povečati talno povezavo, da bi izboljšali učinek neučinkovite toplotne črpalke. Učinkovita metoda z zaprtim krogom (poleg vodoravne zanke) je toplotni izmenjevalnik v vrtini (angl. Borehole Heat Exchanger, BHE), pri nas znana kot »geosonda ali geotermična sonda« Pri teh sistemih nosilni fluid kroži v zaprtem cevnem krogotoku, ki poteka skozi vrtino ali horizontalni jarek. V ogrevalnem načinu ohlajen nosilni fluid (običajno voda z dodatkom glikola ali drugega antifriznega sredstva, npr. etanola ali soli) potuje iz toplotne črpalke in absorbira toploto s prevajanjem iz tal ter se vrača na toplotno črpalko, kjer se toplota odvzame, pri tem se nosilni fluid ponovno ohladi in je pripravljen na nov cikel. V hladilnem načinu ogret nosilni fluid iz obrnjene toplotne črpalke potuje v tla in odda del svoje toplote relativno hladnejšim tlem. Vodoravne zanke, izvedene v jarkih, so ena izmed najcenejših variant toplotnih črpalk z zaprtim krogom. Optimalna globina jarkov je med 1,2 in 2 m, kar je enostavno izkopati z rovokopačem in je dovolj globoko, da zagotavlja dovolj veliko termično uskladiščenje za podpiranje ogrevanja v zimskem času. Hkrati zagotavlja primerno vlažnost in izolacijo pred zimsko zmrzaljo, ter je dovolj plitvo, da sončna 12

energija in toplota iz ozračja nadomestita termično uskladiščenje okoli zanke v poletnih mesecih.

Slika 6. Toplotni izmenjevalnik v vrtini (=geosonda, angl. BHE) (Lund, 2008)

Prenos toplote se odvija od tal na toplotni izmenjevalnik zaradi temperaturne razlike (Sanner, 2010). Prednosti te metode so:  ni potrebe po rednem vzdrževanju,  varno delovanje,  možno dejansko povsod. Pomanjkljivosti pa so:  omejena kapaciteta na vrtino,  relativno nizka temperaturna raven toplotnega vira. Glede na te metode se postavljajo večinoma naslednji tipi geotermalnih toplotnih črpalk, ki so prikazani na sliki 7 (Sanner, 2010).     

koaksialne geosonde (BHE), U-cevne geosonde, spiralne geosonde, z vodnjaki s podtalno vodo, vodoravne zanke z glikolom ipd. ali z neposrednim izparevanjem (angl. direct expansion). Pri prvih gre za alkohol, ki ni tako koroziven kot CaCl2 (»slanica«). 13

Pri slednjih vmesni toplotni izmenjevalnik in fluid nista potrebna. Vendar je bodočnost nejasna zaradi okoljskih vprašanj (Lund, 2000).

Slika 7. Tipi geotermalnih toplotnih črpalk glede na postavitve zank (Sanner, 2010).

5.1 TOPLOTNE ČRPALKE ZEMLJA – VODA Toplotne črpalke te vrste delimo v splošnem na (Lund, 2008):  Toplotne črpalke zemlja-voda (zaprti krog), kjer je mreža cevovodov direktno zakopana v tla. V splošnem je to termično spojena plastična cev z vodo ali raztopino z antifrizom (20% propilen glikol), ki kroži po ceveh. Možne izvedbe kolektorjev so: o vodoravni , o navpični (geosonde, BHE), o spiralni zvitki v navpični vrtini, o »slinky« spiralni zvitki v vodoravnem jarku, o vloženi (zaprti) v pilotne temelje, o z direktno ekspanzijo (ni toplotnega izmenjevalnika).

Toploto zbirajo vodoravni zemeljski kolektorji, ki so ponavadi kot ravne cevi ali zvitki (spirale) položeni 1,2 do 2 m globoko in vsaj 1,5 m narazen med seboj v primeru ravnih cevi, ter 3-5 m v primeru zvitkov (Lund, 2000; Banks, 2008). Tako se upošteva najmanjši možni medsebojni toplotni vpliv med cevmi. Dolžina bakrenih cevi s trdno PVC oblogo ali polietilenskih cevi dosega do nekaj 100 m, Seveda so ti sistemi pod vplivom sončnega sevanja in se predvsem izkorišča v tleh nakopičena sončna energija. Temperatura tal je odvisna predvsem od sprememb temperature zraka. Sončno sevanje povzroča cikličnost talnih temperatur, ki s časom zaostajajo in se z globino znižujejo zaradi izolacijskih lastnosti in toplotne difuzivnosti zemljin v tleh, kot je vidno na sliki 2; seveda je temperatura precej bolj stabilna kot pa za toplotne črpalke zrak-voda. V vlažni zemlji oziroma tleh pričakujemo sicer večja temperaturna nihanja kot v suhih tleh. Vodoravne zanke se lahko postavijo tudi dvojno plastno, t.j. en niz cevi v globino 1,2 m, drugi pa v globino 1,8 m. Obstaja sicer veliko različnih konfiguracij postavitve vodoravnih zemeljskih kolektorjev. Učinkovitost teh kolektorjev je odvisna večinoma od toplotne prevodnosti in vlažnosti tal ter prisotnosti podzemne vode.

Slika 8. Prikaz inštalacije vodoravnih zemeljskih kolektorjev (povzeto po www.hgd.hu)

Območje, na katerem so vgrajeni zemeljski vodoravni kolektorji, mora biti dovolj veliko, da se odvzeta toplota v poletnih mesecih nadomesti s sončno in atmosfersko energijo, tla pa morajo biti dovolj prevodna, da se toplota učinkovito prenaša v zanko. Stik med tlemi in cevmi mora biti toplotno učinkovit, in cevi morajo biti iz obstojnega in trpežnega materiala z zadovoljivo termično prevodnostjo. Zelo pomembna je tudi izbira nosilnega fluida, saj mora le-ta imeti dobre termične lastnosti (nizka viskoznost, ki omogoča turbulentni tok v ceveh, in visoka specifična toplotna kapacitivnost) in biti hkrati okoljsko sprejemljiv. Geosonde (angl. Borehole Heat Exchangers) so v vrtinah speljani snopi cevi, ki so napolnjeni s tekočim oziroma plinastim medijem za prenos toplote. Pri tem se predvsem izkorišča toplota iz notranjosti Zemlje (=geotermalna energija). Globina vrtin znaša večinoma od 70 do 150 m, v območjih povišanega geotermičnega gradienta pa so lahko tudi plitvejše. Oddaljenost med posameznimi geosondami v Nemčiji ne sme biti manjša od 6 m (v Avstriji je ta razmik 5 m!). Geosonde se lahko postavljajo povsod, kjer je prostor za vodoravne zanke omejen, ali pa bi izkopavanje jarkov skazilo pokrajinsko sliko površja. Seveda pa morajo biti stroški vrtanja sprejemljivi.

Slika 9. Prikaz inštalacije geosonde (povzeto po www.hgd.hu)

Običajno se načrt potrebne globine postavi glede na tabelirane vrednosti specifičnega odvzema (ekstrakcije) toplote (Sanner, 2010) (t.j. v VDI 4640):

Napaka, ki se dogaja, je, da se tipična vrednost specifične stopnje odvzema toplote, ki znaša 50 W/m, uporablja za vse lokacije v Evropi, pri tem pa se pozablja na geološke razlike! Običajno se toplotne črpalke dimenzionirajo za obratovanje v trajanju 1800 ur (le ogrevanje) ali 2400 ur (ogrevanje in priprava tople vode).

Slika 10. Vrtanje vrtine za geosondo (avtor fotografije: Aleksander Bokan)

Pri geosondah s toplotnimi črpalkami, ki obratujejo od 1800 do 2400 h/leto in pri obratovanju nimajo hlajenja, lahko v skladu z naslednjo tabelo (Sanner, 2010; IOVE, 16

2009) določimo specifično stopnjo odvzema toplote (= specifična zmogljivost odvzema). Pri dimenzioniranju moramo upoštevati potrebo po toploti za grelec in za pripravo tople vode. Poznavanje termičnih parametrov tal je pomembno za pravilno načrtovanje geosonde (Sanner, 2010). Za geosonde v takšnih tleh, kjer prevladuje prenos toplote s prevajanjem, je odločilna toplotna prevodnost λ; njene vrednosti so v praksi med 1 in 4 W/(m·K). Poznavanje prepustnosti in toka podtalne vode je pomembno za toplotne črpalke na podtalnico, toda podtalnica ima lahko tudi pozitivni vpliv na učinkovitost geosonde (ko je Darcyjev tok velik). Preglednica 1 Vrednosti specifične stopnje odvzema toplote iz VDI 4640 2. del, status 2001

Podzemlje

Specifična stopnja odvzema toplote, W/m za 1800 ur/leto za 2400 ur/leto

Splošne skupne vrednosti: Slabo podzemlje (suh sediment) (λ < 1,5 W/(m·K)) 25 20 Normalna kamnina podzemlja in z vodo nasičen 60 50 sediment (λ < 1,5 – 3,0 W/(m·K)) Konsolidirana kamnina z visoko prevodnostjo 84 70 toplote (λ > 3,0 W/(m·K)) Posamezne kamnine: Prod, pesek, suh < 25 < 20 Prod, pesek, nasičen z vodo 65 - 80 55 – 65 Za močan tok podtalnice v produ in pesku, za 80 - 100 80 – 100 individualne sisteme Glina, ilovica, vlažna 35 - 50 30 – 40 Apnenec, masiven 55 - 70 45 – 60 Peščenjak 65 - 80 55 – 65 Kisle magmatske kamnine, z veliko kremena (n.pr. 65 - 85 55 – 70 granit) Bazične magmatske kamnine (n.pr. bazalt) 40 - 65 35 – 55 Gnajs 70 - 85 60 – 70 Vrednosti lahko znatno nihajo zaradi sestave in strukture kamnin, kot so razpoke, špranje, skrilavost, foliacija, preperevanje, itd.

Pri večjem številu obratovalnih ur (npr. zaradi ogrevanja kopališča, ekstremnih podnebnih con ipd.) je potrebno prej omenjene specifične stopnje odvzema toplote v tolikšni meri znižati, da se maksimalno dopustno odjemalno delo (stopnja odvzema toplote krat 1800 h/leto oziroma 2400 h/leto) ne prekorači. Če se ta stopnja odvzema prekorači, moramo računati s podhladitvijo in s pogosto menjavo stanj zmrzali in taljenja okrog sond. Tudi učinek toplotne črpalke se lahko bistveno zmanjša. Zgoraj navedene odvzemne vrednosti so izpeljane iz obstoječih sond in jih moramo upoštevati, če nimamo drugih podatkov o toplotni prevodnosti podzemlja na določeni lokaciji. Pri namestitvi večjega števila sond je potrebno zgoraj navedene odvzemne vrednosti zmanjšati. Pri izmeničnem obratovanju segrevanja in hlajenja je ugodno, če se v podzemlju dogaja termična regeneracija podzemlja. Pri geosondah za ogrevanje in hlajenje ni dovoljeno prekoračiti vnosa toplote 25 W/m pri hlajenju enodružinskih hiš in podobnih manjših objektih, če niso bile izvedene podrobne analize toplotne prevodnosti zemljin in kamnin podzemlja. Pri projektih, kjer je inštalirana termična 17

moč več od 50 kW, se uporablja standardni postopek za določanje termičnih parametrov tal (plitvega podzemlja) - termični preskus odzivnosti (angl. Thermal Response Test).

5.2 TOPLOTNE ČRPALKE VODA–VODA Toplotne črpalke voda-voda so večinoma nominalne kapacitete 2,5 do 35 kW. Sistemi na podtalno vodo ali katerikoli vodni vir (odprti krog) lahko izrabljajo vodo iz vodnjaka ali jezera. Vodni viri so sicer lahko iz (Lund, 2008):  vrtine/vodnjaka,  jezera, ribnika,  rudnika,  predora. Hladilno sredstvo: od leta 2003/04 se večinoma uporabljajo R-410A in R-407C ter druga novejša sredstva. Učinkovitost (COP in EER-Energy Efficiency Ratio) je odvisna od temperature vstopajoče vode. Za projektiranje vrtine za zajem podzemne vode za toplotno črpalko moramo poznati nekaj osnovnih parametrov: -

ugotoviti moramo, ali na želenem mestu obstaja vodonosnik in določiti njegove lastnosti, za projektirano globino vrtine moramo vedeti, kakšna je globina do vodonosnika, kakšna je globina do gladine podzemne vode in kakšna je prepustnost vodonosnika, premer vrtine je odvisen premera potopne črpalke, ki mora zagotoviti možnost črpanja želenega pretoka podzemne vode, želen pretok iz vrtine je odvisen od hidravličnih lastnosti vodonosnika in zahtevanih potreb po toploti/hladu in litološka sestava vodonosnika in njegove hidrogeološke lastnosti določajo primeren tip vrtine in s tem tudi njeno ceno.

Pri izvedbi toplotnih črpalk na podzemno vodo je potrebno pridobiti vodno dovoljenje za izkoriščanje toplote iz podzemne vode. Pri tem je potrebno s črpalnim poskusom dokazati, da lahko iz vrtine črpamo želeno količino vode brez vpliva na okolje in brez škode za druge uporabnike vodonosnika.

Slika 11. Izvedba črpalnega poskusa na vrtini (avtor fotografije: Aleksander Bokan)

Potrebna globina vrtanja črpalne in ponikalne vrtine se ugotavlja iz hidrogeoloških kart in profilov, oziroma iz obstoječih podatkov dosedanjih vrtin in vodnjakov. Sistemi te vrste toplotnih črpalk se običajno koristijo na že znanih območjih, v sedimentnih kotlinah oziroma dolinah. Običajno zadostuje takšna globina, da se doseže že prvi pomembnejši prodni ali prodno-peščeni vodonosnik, razen, če ni omejitev glede vodooskrbe in so potrebne globine potem večje, ali pa sploh ni dovoljena izraba teh vodonosnikov v vodovarstvenih pasovih. Običajne težave pri izdelavi toplotnih črpalk voda- voda so (Banks, 2008): -

premajhna vključenost hidrogeologov pri projektiranju, preveč optimistična ocena hidravličnih lastnosti vodonosnika, kar privede do manjšega pretoka vode, kot je bil načrtovan za določeno toplotno črpalko, pomanjkljiv razmislek o zahtevah vračanja (reinjekcije) toplotno izrabljene vode, pomanjkljivo zavedanje o možnih zapletih s kemijsko in mikrobiološko sestavo podzemne vode (problematična je lahko kvaliteta vode zaradi kalcijevega karbonata in/ali železovih bakterij, ki tvorijo kotlovec ali pa poškodujejo toplotni izmenjevalnik), pomanjkljiv razmislek o možnem termičnem preboju med reinjekcijsko in črpalno vrtino.

Te težave se zmanjša z (Banks, 2008): -

vzdrževanjem visokega tlaka v krogotoku podzemne vode za preprečevanje izhajanja CO2 v toplotnem izmenjevalniku, 19

preprečevanjem stika podzemne vode z kisikom v atmosferi, dodajanjem manjših količin biocidov ali drugih reduktivnih kemikalij za preprečevanje nastajanja biofilmov in oksidacije železa, rednim vzdrževanjem (izpiranje toplotnega izmenjevalnika s kislino ali detergenti za odstranjevanje kalcita in železovih/manganovih oksihidroksidov) ali nabava toplotnega izmenjevalnika, ki se ga da razstaviti za čiščenje.

Podzemno vodo, ki je na toplotnem izmenjevalniku oddala toploto v ogrevalnem načinu ali sprejela toploto v hladilnem načinu, je potrebno reinjektirati nazaj v isti vodonosnik iz katerega je bila izčrpana.

Slika 12. Niz ponikovalnih vrtin za sistem ogrevanja večjega javnega objekta s toplotno črpalko tipa voda – voda (avtor fotografije: Aleksander Bokan)

5.3 PREDNOSTI IN SLABOSTI GEOTERMALNIH TOPLOTNIH ČRPALK 20

V tem podpoglavju bomo prikazali medsebojne primerjave toplotnih črpalk voda-voda s toplotnimi črpalkami zemlja-voda, geotermalnih toplotnih črpalk s toplotnimi črpalkami zrak-voda in geotermalnih toplotnih črpalk z ogrevanjem z zemeljskim plinom. Vsaka izmed obravnavanih tehnologij ogrevanja ima določene prednosti in slabosti; katera lastnost bo pretehtala pri izbiri načina ogrevanja je seveda odvisno od mnogoterih faktorjev. Primerjava toplotnih črpalk voda-voda s toplotnimi črpalkami zemlja-voda (Banks, 2008) Prednosti toplotnih črpalk voda-voda so:  Visoka termična kapaciteta naravnega medija (podzemne vode) pri konstantni temperaturi z relativno nizkimi stroški.  Toplota se izkorišča z vsiljeno konvekcijo, to pomeni, da je možno iz vrtine pridobiti več toplote kot v zaprti zanki.  Relativno visoka temperaturna raven toplotnega vira. Pomanjkljivosti toplotnih črpalk voda-voda pa so:  So geološko odvisne. Na mestu inštalacije mora obstajati vodonosnik z možnostjo zagotavljati želen pretok vode.  Potrebno je izdelati dve vrtini in ju opremiti s črpalko ter merilnimi napravami.  Dodatno nastanejo stroški za črpanje podzemne vode iz vrtine.  Vodo je potrebno vračati v vodonosnik skozi drugo vrtino ali ponikovalni jašek.  Pridobiti je potrebno vodno dovoljenje za črpanje in vračanje vode v vodonosnik.  Vrtine in drugo opremo je potrebno redno vzdrževati (obarjanje mineralov, tvorba biofilmov, abrazija trdnih delcev…). Primerjava geotermalnih toplotnih črpalk s toplotnimi črpalkami zrak-voda Geotermalne toplotne črpalke imajo naslednje prednosti nad toplotnimi črpalkami zrak-voda (Lund, 2008):  Porabijo manj energije za delovanje, nižji so tekoči stroški delovanja.  Izkoriščajo zemljo ali podtalno vodo, ki je stabilnejši vir energije od zraka (zato so 50 do 100 % učinkovitejše od toplotnih črpalk zrak-voda).  Ne zahtevajo dodatne toplote med izrazito nizko zunanjo temperaturo.  Uporabljajo manj hladilnega sredstva.  Imajo enostavnejši dizajn in posledično manj vzdrževanja.  Ne zahtevajo postavitve enote zunaj, kjer je izpostavljena vremenskim prilikam.  Daljša življenjska doba opreme.  Izmed vseh virov ogrevanja imajo najnižjo stopnjo emisije CO2.

Poglavitne slabe strani glede na toplotne črpalke zrak-voda pa so:

 Višji investicijski strošek, za izkop jarkov za cevi toplotnega izmenjevalnika ali izdelavo vrtin za navpične kolektorje ter na vodni vir; zato so okrog 30 do 50% dražje od toplotnih črpalk zrak-voda.  Pomanjkanje izučenih in izkušenih načrtovalcev in inštalaterjev.  Pomanjkanje razumevanja z vladnimi regulatorji.  Plitvi vodoravni toplotni izmenjevalniki so podvrženi vplivom sprememb površinske (zrak in sonce) temperature – in zaradi varnosti oskrbe z energijo zahtevajo 30 do 50% več cevi v tleh. Primerjava geotermalnih toplotnih črpalk z ogrevanjem z zemeljskim plinom (Banks, 2008) Pomanjkljivosti GTČ so visoki (začetni) investicijski stroški v primerjavi s stroški ogrevanja s plinom iz omrežja. Prednost je v nižji emisiji CO2 in daljši življenjski dobi toplotne črpalke (20-25 let) v primerjavi s plinskim grelnikom (12 let). Ni tudi stroškov rednih letnih pregledov plinskih naprav. Ekonomiko pomagajo izboljšati tudi državne subvencije. Kjer obstaja plinsko omrežje, za vgradnjo GTČ ne prevladajo finančni, ampak okoljevarstveni vidiki investitorjev, ki jih dodatno usmerja regulativa OVE. Vedeti je potrebno tudi, da tem večja je geotermalna toplotna črpalka, cenejša je glede na inštalirano toplotno moč (kW). Večja je torej stavba, nižji so investicijski stroški za GTČ sistem in bolj je ekonomsko upravičena njihova namestitev.

5.4 PRAKTIČNA NAPOTILA GTČ je tiha naprava, vseeno pa proizvaja nekaj hrupa, zato naj bo nameščena v posebni sobi stran od glavnih prostorov bivanja. GTČ uporabljajo električno energijo učinkovito. 10kW toplotna črpalka rabi za delovanje 2,5 kW električne energije. Pri zagonu potrebuje kompresor do trikrat višjo konično moč od normalne nazivne delovne moči. Toplotna črpalka s toplotno močjo nad 20kW mora biti priključena na trifazno električno napetost. GTČ najbolje deluje (z najvišjim faktorjem učinkovitosti), kadar oddaja toploto pri nižje temperaturnem režimu (talno ogrevanje, stensko ogrevanje, kroženje toplega zraka), konstantno skozi daljše obdobje. GTČ se lahko vgrajujejo tudi v starejše ogrevalne sisteme, kjer pa želena stopnja toplote ni zagotovljena. Zelo prilagodljiva in preprosta rešitev geotermalnega ogrevanja in hlajenja večjih industrijskih in komercialnih sistemov, je kroženje s toplotno črpalko ogretega ali ohlajenega fluida skozi stavbne zanke. Na te zanke so nameščene ventilatorske enote, ki v prostor vpihujejo topel ali hladen zrak. GTČ se lahko uporabljajo tudi za ogrevanje sanitarne vode, vendar učinkovitost GTČ pri povišanih temperaturah pade; npr. faktor učinkovitosti za zagotavljanje tople vode s temperaturo 55°C je okoli 2. Prav tako mora biti temperatura tople vode nad 60°C, da se izognemo problemom z bakterijo Legionella. Alternativna možnost je, da se uporabi toplotna črpalka za dvig temperature vode do 45°C, in nato konvencionalni električni grelec za dvig temperature nad 60°C.

Zelo pomembno je tudi, kako dimenzionirati toplotno črpalko glede na konično potrebo po toploti za najhladnejši dan v povprečnem letu. Če upoštevamo frekvenco temperatur, je običajno, da se najnižje temperature (in s tem najvišje potrebe po toploti) pojavljajo le nekaj dni na leto. Ker so stroški investicije povezani z njeno kapaciteto, je smiselno izbrati toplotno črpalko, ki ni dimenzionirana na maksimalne potrebe po toploti, temveč tako, da zadovoljuje večino potreb. Banks (2008, str 107) navaja, da na področju Skandinavije z GTČ, katere toplotna moč je okoli 60% izračunane konične potrebe po toploti, zadovoljujejo okoli 90% toplotne energije, ki jo hiša potrebuje preko ogrevalne sezone. Ostalih 10% je potrebno zagotoviti z dodatnim virom toplote. V kolikor v stavbo namestimo premočno TČ ali tako, ki je dimenzionirana na 100% konično potrebo po toploti, in ki ima majhno termično uskladiščenje, da bi delovala kot varovalo, se bo ta kar naprej vklapljala in izklapljala, kar se bo odrazilo v hitrejši obrabi kompresorja. Poleg tega je potrebno vedeti, da GTČ deluje z največjo energetsko učinkovitostjo pri bazni obremenitvi in ni posebej odzivna na kratkoročne temperaturne spremembe. Konične potrebe po toploti naj se zagotavljajo z bolj konvencionalnimi viri, ki izboljšajo stopnjo odzivnosti sistema. Za varno in zanesljivo obratovanje GTČ je priporočljivo tudi, da si v sistemu GTČ omislimo hranilnik toplote (rezervoar tople vode), ki lahko varuje sistem pri nenadnih kratkotrajnih potrebah po toploti. TČ se ponovno vklopi, ko temperatura vode v hranilniku toplote pade pod določeno mejo. To preprečuje ponavljajoče vklapljanje in izklapljanje kompresorja ter ga ščiti pred prehitro obrabo. Alternativni način hranilnika toplote je, na primer, vgradnja talnega ogrevanja v debelo betonsko ploščo, ki jo ponoči segrevamo z GTČ, podnevi pa oddaja toploto v prostor. V primeru, da želimo GTČ uporabljati za kombinirano ogrevanje in hlajenje, je potrebno izbrati toplotno črpalko na osnovi poletne obremenitve za hlajenje in ne glede potreb po toploti.

5.5 OKOLJEVARSTVENI VIDIKI Na mnogih področjih tehnologije geotermalnih toplotnih črpalk, pravni akti, ki bi urejali uporabo in zlorabo podzemnega toplotnega vira v Sloveniji in na Madžarskem, ne obstajajo. V odsotnosti zavezujoče zakonodaje so v zadnjih 15 letih strokovna združenja, predvsem v deželah z razvitim trgom GTČ (ZDA, Nemčija, Švedska, Švica, Avstrija), pričela razvijati pravila dobre prakse, s katerimi naj bi se reguliral trg. Pravila dobre prakse se nanašajo predvsem na naslednja tri vprašanja: -

regulacija, ki se tiče termične učinkovitosti stavb in delovanja sistemov toplotnih črpalk, zaskrbljenost glede onesnaževanja podzemne vode in hidrogeološkega vpliva zemeljskih toplotnih virov in zaskrbljenost glede vpliva spreminjanja temperature podzemlja z odvzemom ali reinjekcijo toplote.

S stališča okoljevarstva sta zanimivi le zadnji dve alineji, prvo pa podrobneje opisujemo v poglavju Zakonodaja.

Okoljske regulatorje pogosto skrbi potencialni hidrogeološki vpliv vrtanja vrtin in opremljanja vrtin z geotermalnimi toplotnimi črpalkami. Pri sistemih z zaprto zanko največkrat še ni na voljo legalnih orodij za njihov nadzor, saj se podzemna voda ne odvzema ali dovaja v podzemlje (problematično je le možno puščanje sistema). Pri sistemih z zaprto zanko regulatorje skrbi, da bi nekontrolirano vrtanje neizkušenih vrtalcev privedlo do onesnaževanja vodonosnika s prenosom površinskih onesnaževal po slabo izvedeni vrtini, vzpostavljanje zveze med različnimi vodonosnimi plastmi skozi vrtino ali nenamerna penetracija arteškega vodonosnika. Nadalje regulatorje skrbi potencial onesnaževanja zaradi možnega puščanja nosilnega fluida iz cevi v podzemlje. Kar se tiče sistemov z odprtim krogom, regulatorji že imajo obstoječ zakonodajni okvir s katerim izvajajo kontrolo, predvsem Zakon o vodah, s katerim so največkrat regulirana vodna dovoljenja za odvzem vode. Okoljski regulator največkrat omeji škodne vplive na vodonosnik, s katerimi varuje interese okolja in vseh njegovih uporabnikov. Regulator lahko zahteva predvsem 100% reinjekcijo toplotno izrabljene vode nazaj v isti vodonosnik, prepreči ali omeji obširne spremembe gladine podzemne vode zaradi črpanja ali reinjekcije in prepreči večje spremembe temperature podzemne vode na območju postavitve sistema toplotne črpalke. Regulator torej lahko določi, da je dovoljeno sisteme z odprto zanko izvajati le v dubletnem načinu (črpalno-reinjekcijski par vodnjakov ali vrtin), določi koliko toplote lahko odvzamemo in dovedemo v podzemno vodo ter določi max. in min. temperaturo reinjektirane odpadne vode. Na območjih z arteško podzemno vodo in na vodovarstvenih območjih pa lahko regulator prepove vgradnjo toplotnih črpalk tipa voda-voda, prav tako tudi geosond. Škodljivi temperaturni vplivi so lahko naslednji:  Pri slabo dimenzionirani toplotni črpalki lahko odvzem toplote povzroči zmrzovanje in napihovanje tal, s tem pa se lahko poškodujejo stavbe, zakopane napeljave in rastlinske korenine.  Prekomerno segrevanje tal povzroči toplotno raztezanje z geotehničnimi posledicami in razpokanje tal zaradi migracije vode pare.  Toplotno medsebojno delovanje sosednih postavitev zaprtih zank lahko zniža njihovo učinkovitost.

5.6 TRG GEOTERMALNIH TOPLOTNIH ČRPALK Toplotne črpalke se uporabljajo tako za ogrevanje kot za hlajenje. Njihove kapacitete ogrevanja se gibljejo običajno od 3 kWt pa celo do 150 kWt, v povprečju pa ima tipična enota kapaciteto 12 kW. V svetu je postavljenih že okrog 1,7 milijon enot v 33 državah (Lund, 2008). Rast števila enot znaša, okvirno, od 20 do 30% letno. Če vzamemo, da COP znaša v poprečju 4, to pomeni 75% prihranka v električni energiji.

Trg geotermalnih toplotnih črpalk in njihovo širitev v Evropi kaže naslednja karta.

Slika 13. Trg geotermalnih toplotnih črpalk in njihova širitev v Evropi (Sanner, 2010).

Za večino vodilnih evropskih držav v uporabi geotermalnih toplotnih črpalk je značilna hitra rast v številu postavljenih enot. Kot primer kažemo trend prodaje geotermalnih toplotnih črpalk (GSHP) v Nemčiji v letih 1996 do 2009.

Slika 14. Številke prodanih enot geotermalnih toplotnih črpalk v Nemčiji (Sanner, 2010).

6 ZAKONODAJA V tem poglavju prikazujemo pregled evropskih, slovenskih in madžarskih zakonskih okvirov, znotraj katerega se regulira in promovira tehnologija geotermalnih toplotnih črpalk.

6.1 EUROPSKA ZAKONODAJA Direktive Pravni okvir za pospešitev uvajanja tehnologije toplotnih črpalk za pokrivanje energetskih potreb v EU in zamenjavi energentov prinašata dve evropski direktivi: Direktiva 2009/28/ES o promociji obnovljivih virov energije1 in Direktiva 2010/31/ES o energetski učinkovitosti stavb2. V skladu z Direktivo 2009/28/ES so morale vse države članice izdelati akcijski načrt za obnovljive vire energije (AN OVE) in ga poslati Evropski komisiji do 30. 6. 2010. Vsebina akcijskega načrta OVE je določena z odločbo Komisije z dne 30. junija 2009 o predlogi za nacionalne akcijske načrte za obnovljivo energijo v skladu z Direktivo 2009/28/ES Evropskega parlamenta in Sveta. S stališča uporabe tehnologije toplotnih črpalk za namene ogrevanja in hlajenja ter priprave sanitarne vode, Direktiva 2009/28/ES določa, da se geotermalna toplotna energija, pridobljena s toplotnimi črpalkami, upošteva za namene končne bruto porabe energije iz obnovljivih virov za ogrevanje, v kolikor končna proizvedena energija znatno presega primarni vnos energije, potreben za delovanje toplotne črpalke. Količina toplote, ki se za namene te direktive šteje kot obnovljiva energija, se izračuna v skladu z metodologijo iz priloge VII k direktivi. Direktiva 2009/28/ES nadalje narekuje poenostavitev in pospešitev postopkov izdaje dovoljenj, certificiranja in licenciranja, opredelitev tehničnih specifikacij za naprave, ter spodbujanje uporabe OVE v proizvodnji električne energije ter pri ogrevanju in hlajenju z vzorčnimi objekti in minimalnimi standardi rabe OVE pri gradnji objektov ter drugimi mehanizmi. Predpisano je tudi, da se lahko finančno spodbuja le vgradnjo toplotnih črpalk, ki izpolnjujejo minimalne zahteve za podelitev znaka za okolje, določene v Odločbi Komisije 2007/742/ES z dne 9. novembra 2007 o določitvi okoljskih meril za podelitev znaka Skupnosti za okolje električnim, plinskim ali plinskim absorpcijskim toplotnim črpalkam3. Do 31. 12. 2012 je med drugim potrebno zagotoviti tudi dostopnost sistema certificiranja ali enakovrednih sistemov kvalifikacij za inštalaterje plitvih geotermalnih sistemov ter toplotnih črpalk. Merila in smernice za certificiranje inštalaterjev so podana v prilogi IV direktive. Vsaka država Evropske skupnosti mora tudi priznavati certifikate, ki jih podelijo druge države v skladu s temi merili. Certificiranje inštalaterjev toplotnih črpalk in plitvih geotermalnih sistemov poteka po akreditiranem programu usposabljanja ali ga izvaja akreditirani izvajalec usposabljanja. 1

http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2009:140:0016:0062:SL:PDF http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2010:153:0013:01:SL:HTML 3 http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2007:301:0014:0025:SL:PDF 2

Certificiranje inštalaterjev mora biti časovno omejeno, tako da je za podaljševanje veljavnosti certifikata potreben obnovitveni seminar ali tečaj. Direktiva 2010/31/ES o energetski učinkovitosti stavb določa, da morajo nove stavbe izpolnjevati minimalne zahteve glede energetske učinkovitosti (s tem se seveda razume tudi zmanjšanje izpustov CO2). Minimalne zahteve glede energetske učinkovitosti stavb ali stavbnih enot določijo države članice tako, da je zagotovljeno doseganje stroškovno optimalne ravni. Pri novih stavbah države članice zagotovijo, da se pred začetkom gradnje preuči in upošteva tehnično, okoljsko in ekonomsko izvedljivost visoko-učinkovitih alternativnih sistemov, če so le-ti na voljo. Med visoko-učinkovite alternativne sisteme spadajo tudi toplotne črpalke. Prav tako se spodbuja države članice, da se tudi pri večji prenovi stavb preučijo in upoštevajo visoko učinkoviti alternativni sistem, če je to tehnično, funkcionalno in ekonomsko izvedljivo. Standardi Standardizacija je metoda, s katero se poskuša izenačiti kakovost, obliko, tehnične lastnosti, varnost, zanesljivost, postopke vgradnje in življenjsko dobo določenega izdelka. Standardi, ki urejajo področje geotermalnih toplotnih črpalk so:

 Evropski standardi (EN), ki so splošno normativni (predpisi)  Mednarodni standardi (ISO), ki niso normativni, čeprav bi morali predstavljati »najboljšo prakso« in bi se jih morali držati in  Državne specifikacije (n.pr. DIN, VDI, itd.). Urejenost standardizacije je od države do države različno, čeprav bi se morali povsod uporabljati tehnične standardi po načelu »najboljše prakse«. V sektorju GTČ standardi pokrivajo: o splošne definicije, o standarde načrtov za kapaciteto, učinkovitost, varnost, o standarde za inštalacije glede zaščite okolja, vrtanja, o standarde v zvezi s pristojnostjo in spričevalom (certifikacijo) inštalaterjev in vrtalcev, o standarde v zvezi s testiranjem sistema, o predpise in navodila za dajanje dovoljenj / dovolitev sistemov (kar se značilno tiče zaščite podzemne vode).

Za same toplotne črpalke obstajajo izčrpni in usklajeni tehnični standardi za opremo. Države članice ES (+ Švica, Norveška, Islandija) so privzele EN standarde za testiranje, oceno in varnost toplotnih črpalk. Za samo vrtanje vrtin in vgradnjo horizontalnih kolektorjev pa celostnih evropskih standardov ni. EN standardi obstajajo le za varnost pri uporabi vrtalnih garnitur za plitve vrtine in za globoke vrtine v naftni industriji. Za plitve geotermalne sisteme obstajajo tehnični standardi le v državah, kjer je tržišče s TČ že razvito. Te države so Nemčija, Švedska, Avstrija in Švica; le v njih obstoja tudi sistem licenciranja inštalaterjev in vrtalcev. V nadaljnjem podajamo glavne evropske (EN) in mednarodne (ISO) standarde, ki se uporabljajo pri vgradnji toplotnih črpalk Obstoječi standardi za toplotne črpalke na splošno 

EN 378-1:2000

Hladilni sistemi in toplotne črpalke – Varnostne in okoljske zahteve – 1. del: Osnovne zahteve, definicije, klasifikacija in kriterij izbire. 

EN 14511-1:2004

Klimatizacijske naprave, sklopi za hlajenje tekočin in toplotne črpalke z električno gnanimi kompresorji za ogrevanje prostorov in hlajenje – deli 1-4. 

ISO 13256-2:1998

Toplotne črpalke na vodni vir – testiranje in ocenitev za učinkovitost – 2. del: toplotne črpalke voda-voda in slanica-voda. Obstoječi standardi za vrtanje, ki se tičejo geotermalnih toplotnih črpalk 

EN 791:1996

Varnost vrtalnih garnitur 

ISO 3551:1992

Vrtalna oprema za vrtanje na jedro Sistem A 

ISO 3552:1992

Vrtalna oprema za vrtanje na jedro Sistem B 

EN 12717:2001

Varnost strojnih orodij; vrtalni stroji 

EN ISO 22475/1:2006

Geotehnične raziskave in testiranje – metode vzorčenja in meritve podzemne vode – 1. Del: Tehnični principi za izvajanje.

Poleg evropskih in mednarodnih standardov pa so posamezne države z razvitim trgom toplotnih črpalk, zaradi potreb po reguliranju trga, razvile svoje nacionalne standarde in navodila za vgradnjo geotermalnih toplotnih črpalk (GTČ), po katerih se zgledujejo tudi v Sloveniji in na Madžarskem. Avstrija

ÖWAV Regelblatt

Švica Švica

AWP T1 SIA D 0190

Švica

SIA 384/6 (SN 565)

Nemčija

DIN 8901

Nemčija

VDI 4640 Blatt 1-4

Švedska

Normbrunn-07

Toplotna raba podzemne vode in podzemlja, ogrevanje in hlajenje Ogrevalni sistemi s toplotnimi črpalkami Raba zemeljske toplote skozi kole (pilote) temeljenja (stavb), ipd. Toplotni izmenjevalniki v vrtinah (BHE) za ogrevanje in hlajenje Hladilni sistemi in toplotne črpalke – Zaščita tal, zemlje in površinske vode Toplotna raba podzemlja – 1-4. del Vrtanje za vodne vrtine (vodnjake) in energijo

2009 2007* 2005 2009 2002 20002009** 2008

*Švica: AWP T1 To je prvo navodilo, ki zahteva zapolnjevanje (s cementom) vrtin za toplotne izmenjevalnike (BHE) od spodaj navzgor. **Nemčija: VDI 4640 VDI 4640 »Toplotna raba podzemlja«  1. del: Splošno / Dovoljenja / Okolje, stanje 2009 

2. del: Geotermalne toplotne črpalke (GTČ), stanje dec. 2000, v predelavi



3. del: Shranjevanje toplotne energije v podzemlju, stanje 2000



4. del: Direktne rabe (hlajenje, toplotni izmenjevalnik tla-zrak), stanje 2004

Ker pa je geotermalna toplotna črpalka v interakciji s stavbo, kateri zagotavlja toploto, je potrebno upoštevati tudi standarde za ogrevalne sisteme v stavbah.  EN 12828:2003 Ogrevalni sistemi v stavbah – konstrukcija za na vodi temelječe ogrevalne sisteme  EN 12831:2003 Ogrevalni sistemi v stavbah – metoda za izračun toplotne obremenitve konstrukcije  EN 15316/4/2:2008 Ogrevalni sistemi v stavbah – metoda za preračun energijskih zahtev in učinkovitosti sistema. – 4-2. Del: Sistemi za ogrevanje prostora, toplotno črpalni sistemi, metoda za izračun energijskih zahtev sistema in učinkovitosti sistema 29

 EN 15450:2007 Ogrevalni sistemi v stavbah. Konstrukcija Zelo pomemben instrument zagotavljanja kakovosti vgrajenih toplotnih črpalk je tudi znak kakovosti Evropskega združenja za toplotne črpalke (European Heat Pump Association - EHPA4). Ta izvira iz aktivnosti združenj za toplotne črpalke iz Avstrije, Nemčije in Švice, ki se je nato razvila dalje v okviru združenja EPHA. Od letos se ta znak kakovosti podeljuje tudi na Švedskem, pridružujejo se tudi druge države.

Znak se lahko podeli standardizirani zračni, geotermalni ali vodni električni toplotni črpalki za ogrevanje prostora, z ali brez možnosti segrevanja vroče sanitarne vode, s toplotno močjo do 100 kW. Da se toplotna črpalka kvalificira za znak kakovosti EHPA mora zadosti testnim merilom EHPA, prav tako pa mora tudi prodajalec zagotoviti določen nivo usluge. Poglavitne zahteve so: -

skladnost glavnih komponent z nacionalnimi zahtevami in regulativami (CE označba)

minimalna učinkovitost, ki je določena kot zahtevani COP - slanica – voda B0/W35 - 4.0 - voda-voda W10/W35 - 4.5 - zrak - voda A2/W35 - 3.0 - neposredna toplotna izmenjava zemlja – voda E4/W35 - 4.0

deklaracija o višini hrupa

obstoj dokumentov o prodaji in distribuciji, navodil in servisnih podatkov v jeziku države v kateri se toplotna črpalka prodaja.

obstoj delujoče servisne mreže na območju prodaje, ki zagotavlja 24 urni reakcijski čas v primeru pritožbe kupca.

Najmanj dvoletni garancijski rok, ki vsebuje tudi deklaracijo, da bodo rezervni deli za toplotno črpalko na voljo najmanj 10 let.

Spletni naslov združenja EHPA je www.ehpa.org

6.2 SLOVENSKA ZAKONODAJA Področje obnovljivih virov energije, med njimi tudi toplotne črpalke, je obravnavano v naslednjih strateških nacionalnih razvojnih dokumentih: 1. Resolucija o Nacionalnem energetskem programu5 (Ur.l. RS, št. 57/2004) 2. V Nacionalnem akcijskem načrtu za energetsko učinkovitost za obdobje 200820166 je izdelana analiza sedanjega stanja rabe energije v Sloveniji ( raba energije, obstoječi ukrepi URE in OVE, ovire za povečanje energetske učinkovitosti) in izdelani inštrumenti za izboljšanje energetske učinkovitosti po sektorjih ter predpisani njihovi izvajalci. 3. Akcijski načrt za obnovljive vire energije za obdobje 2010 – 20207 je novejši od Nacionalnega akcijskega načrta za energetsko učinkovitost in je v celoti posvečen ukrepom za pospeševanje uporabe OVE, med njimi tudi toplotnih črpalk. Zakoni in podzakonski akti Zahteve iz direktiv 2009/28/ES o promociji obnovljivih virov energije in 2010/31/ES o energetski učinkovitosti stavb so prenesene v slovenski pravni red. Veljavni predpisi so objavljeni na spletni strani Ministrstva za Gospodarstvo8. Tako je na osnovi Direktive 2010/31/ES nastal Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah9 (Ur. list RS, št. 52/10). Ta med drugim določa minimalne zahteve za dosego energijske učinkovitosti stavbe z OVE. Energijska učinkovitost stavbe je dosežena, če je najmanj 25 odstotkov celotne končne energije za delovanje sistemov v stavbi zagotovljeno z uporabo obnovljivih virov energije v stavbi in tudi z uporabo tehnologije toplotnih črpalk, če delež končne energije za ogrevanje in hlajenje stavbe ter pripravo tople vode iz geotermalne energije dosega najmanj 70%. V letu 2010 je bila izdelana tudi Tehnična smernica TSG-1-004:2010 Učinkovita raba energije10, v kateri je med drugim predpisana tudi metodologija izračuna potrebne energije za delovanje toplotnih črpalk, potrebno energijo za ogrevanje in pripravo tople vode, toplotno moč TČ in COP pri nazivni obremenitvi v skladu s skupino standardov SIST EN 14511, izračun toplotnih izgub in časa delovanja TČ ter toplote. Predpisi o graditvi objektov obsegajo obvezno izdelavo študije izvedljivosti alternativnih sistemov za oskrbo z energijo. Ta študija je obvezna sestavina projekta 5

http://www.uradni-list.si/1/objava.jsp?urlid=200457&stevilka=2669 Nacionalni akcijski načrt za energetsko učinkovitost za obdobje 2008-2016 /AN-URE/ 7 http://www.mg.gov.si/fileadmin/mg.gov.si/pageuploads/Energetika/Porocila/AN_OVE_20102020_final.pdf 8 http://www.mg.gov.si/si/zakonodaja_in_dokumenti/energetika/ 9 http://www.uradni-list.si/1/objava.jsp?urlid=201052&stevilka=2856 10 http://www.mop.gov.si/fileadmin/mop.gov.si/pageuploads/zakonodaja/prostor/graditev/TSG-01004_2010.pdf 6

za pridobitev gradbenega dovoljenja, v skladu s predpisi o graditvi objektov. Metodologija izdelave in obvezna vsebina študije izvedljivosti sta predpisani v Pravilniku o metodologiji izdelave in vsebini študije izvedljivosti alternativnih sistemov za oskrbo stavb z energijo11 (Ur.list RS, št. 35/08). Vgradnja toplotnih črpalk tipa voda-voda je regulirana na podlagi določil Zakona o vodah (ZV-1, Ur. list RS, št. 67/02). Pravilnik o vsebini vloge za pridobitev vodnega dovoljenja in o vsebini vloge za pridobitev dovoljenja za raziskavo podzemnih voda (Ur. list RS, 79/07) tako opredeljuje, da je potrebno, za vse vrtine v vodovarstvenem območju in vse vrtine globlje od 30 m izven vodovarstvenega območja, pridobiti dovoljenje za raziskave podzemnih voda. Na osnovi rezultatov raziskave pa je za vgradnjo toplotnih črpalk tipa voda-voda potrebno pridobiti še vodno dovoljenje za neposredno rabo podzemne vode za pridobivanje toplote. Natančneje so postopki pridobivanja dovoljenj opisani v poglavju 8. ''Primer umestitve tehnologije toplotnih črpalk v Sloveniji''. Za rabo podzemne vode za pridobivanje toplote se ne obračunava vodnih povračil. Priporočila Direktive 2009/28/ES za poenostavitev postopkov izdajanja dovoljenj zasleduje novi Zakon o Rudarstvu12 (ZRud-1, Ur. List RS, 61/10, 62/10). Sam zakon prinaša nove definicije za geotermični energetski vir, ki je toplotna energija, ki se nahaja v geoloških plasteh pod površjem tal in se obnavlja s toplotnim tokom iz Zemljine notranjosti. Izkoriščanje geotermičnega energetskega vira z geokolektorjem oziroma geosondo pomeni, da se toplotna energija iz geoloških plasti odvzema s pomočjo v zanko povezanega cevnega sistema, montiranega v vrtino (vertikalni kolektor) ali vodoravno položenega v določeni globini pod površjem tal (horizontalni kolektor), kot nosilec za odvzem toplotne energije pa se uporablja ustrezna tekočina, nepredušno zaprta v ta cevni sistem (Zakon o rudarstvu, ZRud-1, Ur. List RS, 61/10). Izkoriščanje geotermičnega energetskega vira z reinjektiranjem pomeni, da se toplotna energija iz geoloških plasti odvzema preko dveh vrtin, ki se na površju stikata oziroma sta medsebojno povezani, v geološki strukturi pa sta oddaljeni najmanj 25 m, kot nosilec za odvzem toplotne energije pa se uporablja naravna podzemna voda, ki se jo v eni vrtini črpa iz določene geološke strukture oziroma vodonosnika do odvzemnega mesta toplote, po odvzemu toplote iz nje pa se ta voda preko druge vrtine vrača nazaj v izvorno geološko strukturo oziroma vodonosnik (Zakon o rudarstvu, ZRud-1, Ur. List RS, 61/10). Izvajanje geosond do globine 300 m je skoraj v celoti deregulirano, vendar bo potrebno tudi v takih primerih vrtine še vedno izvajati v skladu s pravili rudarske stroke (pristojna služba mora na podlagi novega ZRud pripraviti nov pravilnik o zahtevah za zagotavljanje varnosti in zdravja pri delu ter tehničnih ukrepih za dela pri raziskovanju in izkoriščanju mineralnih surovin z globinskim vrtanjem). Izkoriščanje geotermičnih energetskih virov z geokolektorjem oziroma geosondo se lahko izvaja brez koncesije po tem zakonu, za izkoriščanje geotermičnih energetskih virov z reinjektiranjem pa se dovoljenje za raziskovanje in vodna pravica za izkoriščanje lahko pridobi samo v skladu s predpisi, ki urejajo vode.

11 12

http://www.uradni-list.si/1/objava.jsp?urlid=200835&stevilka=1429 http://zakonodaja.gov.si/rpsi/r06/predpis_ZAKO5706.html

Standardi V Sloveniji ni standardov za instalacijo toplotnih črpalk, v slovenski pravni red je vpeljana le skupina standardov SIST EN (večinoma le v angleščini). Večina pomembnih mednarodnih in evropskih standardov je navedenih v podpoglavju 5.1 Evropska zakonodaja. Inštalaterji v Sloveniji se zgledujejo po standardih in navodilih za vgradnjo geotermalnih toplotnih črpalk (GTČ), ki so jih razvili v Švici, Nemčiji, na Švedskem in v Avstriji.

6.3 TEŽAVE PRI REGULACIJI PODROČJA GEOTERMALNIH ČRPALK V PRAKSI Težave, ki se pojavljajo pri vgradnji geotermalnih toplotnih črpalk v Sloveniji in na Madžarskem, so standardne težave tehnologij v populzivnem začetnem razvojnem stadiju in naslednje: -

izvajanje GTČ mimo veljavnih predpisov, tako ni mogoče kontrolirati ne kakovosti njihove izdelave ne morebitnih negativnih vplivov na prostor, nekakovostna vgradnja nekakovostnih naprav in materialov po nizkih cenah, neobstoj evidence, oz. registra toplotnih črpalk, zaradi česar ni mogoč natančnejši izračun deleža obnovljive energije, pridobljene s toplotnimi črpalkami in tako tega deleža ni mogoče vključiti v energetsko bilanco R Slovenije in R Madžarske, kar je zahteva direktive 2009/28/ES o promociji obnovljivih virov energije.

7 PODPORNI MEHANIZMI (krediti, subvencije) IN OBREMENITVE 7.1 PODPORNI MEHANIZEM V SLOVENIJI Podporni mehanizmi, ki so na voljo v Sloveniji, obsegajo informiranje in energetsko svetovanje ter kreditiranje in subvencioniranje vgradnje toplotnih črpalk. V sestavi MINISTRSTVA ZA GOSPODARSTVO, Direktorata za energijo, je Sektor za aktivnosti učinkovite rabe in obnovljivih virov energije13 zadolžen za opravljanje strokovnih in z njimi povezanih spodbujevalnih nalog, ki se nanašajo na oblikovanje nacionalnih programov in predpisov Vlade RS za pospeševanje okolju prijazne in učinkovite rabe energije (URE) ter izrabo obnovljivih virov energije (OVE), izvajanje državnih programov spodbujanja, koordinacijo in sodelovanje pri izvajanju programov ter izpolnjevanje mednarodnih obveznosti na tem področju. Med drugim financira projekt ENSVET14, v okviru katerega energetsko svetovanje ponuja več kot 30 svetovalnih pisarn po Sloveniji.

http://www.mg.gov.si/si/delovna_podrocja/energetika/sektor_za_aktivnosti_ucinkovite_rabe_in_obnovlj ivih_virov_energije/ 14 http://gcs.gi-zrmk.si/Svetovanje/index.html

Za nepovratne subvencije in kreditiranje vgradnje toplotnih črpalk s subvencionirano obrestno mero preko javnih razpisov za gospodinjstva in pravne osebe, samostojnih podjetnikov posameznikov in zasebnikov skrbi Eko sklad, Slovenski okoljski javni sklad15. Sistemska sredstva za delovanje Eko sklada se zagotavljajo od 1. 1. 2010 iz prispevkov in dodatkov, ki so določeni v Uredbi o zagotavljanju prihrankov energije pri končnih odjemalcih (Ur. l. RS, 114/2009): ''Finančna sredstva za izvajanje programov za povečanje učinkovitosti rabe električne energije zagotavljajo vsi končni odjemalci, ki so dolžni za posamezno prevzemno predajno mesto dobavitelju električne energije plačevati prispevek. Finančna sredstva za izvajanje programov za povečanje energetske učinkovitosti rabe toplote iz distribucijskega omrežja, plina in tekočih goriv zagotavljajo vsi končni odjemalci le-teh, ki so dolžni dobavitelju plačevati dodatek. Višina prispevka in dodatkov je določena v Prilogi 1, ki je sestavni del te uredbe.'' Izkoriščanje toplote zemlje in podzemne vode s pomočjo toplotnih črpalk je možno brez plačila pristojbin (koncesij, vodnih povračil,…). Obremenitve, ki obstajajo, so posledica nedorečenih zakonodajnih rešitev ter birokratskih upravnih postopkov.

8 PRIMER UMESTITVE TEHNOLOGIJE TOPLOTNIH ČRPALK V SLOVENIJI Kot pomoč pri načrtovanju vgradnje toplotne črpalke, v skladu z zahtevami nacionalne zakonodaje in s standardi stroke, prikazujemo, kako poteka strokovno korekten postopek izbire in postavitve primarnega (zemeljskega) kroga toplotne črpalke, in kaj vse je potrebno pri tem upoštevati. Primarni krog toplotne črpalke vključuje ali izgradnjo črpalne in ponikalne vrtine za toplotno črpalko tipa voda-voda ali izgradnjo horizontalnega/vertikalnega (geosonda) zemeljskega kolektorja v primeru toplotne črpalke zemlja-voda. Možno je koristiti tudi jezerske in tekoče vode, kot odprti sistem (toplotna črpalka tipa voda-voda) ali zaprti sistem (zelo podobno sistemu toplotnih črpalk zemlja-voda). Postopek postavitve toplotne črpalke je prikazan na sliki 18. Na izbrani parceli želimo del potreb po energiji zadovoljiti z izvedbo toplotne črpalke. Kakšen tip toplotne črpalke bomo izbrali, je odvisno od potreb po ogrevanju in hlajenju ter geoloških in hidrogeoloških lastnosti območja na mestu postavite toplotne črpalke in od pravne ureditve. Ločimo lahko pet faz postopka: pripravljalna faza, pridobivanje dovoljenj, izvedba vrtine, izkoriščanje vrtine in dodatno pridobitev vodnih soglasij. Pripravljalna faza: 1. Najprej je potrebno preveriti, ali je na izbrani parceli dovoljena gradnja. Za vgradnjo primarnega kroga toplotne črpalke je primerno le stavbno zemljišče, gradnja vrtin na kmetijskem zemljišču ni dovoljena (Zakon o prostorskem načrtovanju (ZPNačrt, Ur.l. RS, št. 33/2007).

http://www.ekosklad.si/html/razpisi/main.html

2. Hkrati preverimo, ali se mesto predvidene vgradnje toplotne črpalke nahaja na vodovarstvenem območju (npr. spletna stran Atlas okolja). Če je izbrana parcela v najožjem vodovarstvenem območju, toplotne črpalke ni dovoljeno izvesti. (Najožje vodovarstveno območje je prostorski vodni rezervat, kjer gradnja novih objektov ni dovoljena). Če gre za ostala vodovarstvena območja, je potrebno pridobiti vodno soglasje od Agencije Republike Slovenije za okolje – ARSO. 3. V naslednjem koraku mora energetik podati potrebno toplotno moč in pridobiti ključne podatke o geološki in hidrogeološki zgradbi tal. Ta korak je zelo pomemben, predvsem pa je ključna izbira dobrega in izkušenega energetika (inštalaterja)16. Če energetik podceni ali preceni potrebo po ogrevanju in hlajenju, ali če nima ustreznih geoloških in hidrogeoloških podatkov, nastanejo nepotrebni stroški in je učinkovitost sistema temu primerno nižja. 4. Na osnovi zbranih podatkov se izbere primeren tip toplotne črpalke ali vodavoda ali zemlja-voda. 5. Projektant nato izračuna potreben pretok podzemne vode in premer vrtine v primeru TČ voda-voda ali potrebno dolžino cevi horizontalnega kolektorja, oziroma potrebno globino vrtine v primeru TČ zemlja-voda. Na podlagi tega lahko dobimo prvo oceno stroškov investicije ter se lotimo pridobivanja potrebnih dovoljenj. Pridobivanje dovoljenj: 6. V primeru izvedbe vrtin za izkoriščanje geotermičnega energetskega vira v zaprtem krogu (geosonde), nam, v skladu z novim rudarskim zakonom (ZRud1, 2010), ki se prične uporabljati s 1. 1. 2011, do globine 300 m ni potrebno pridobivati dovoljenja za izvajanje rudarskih del, prav tako za izkoriščanje geotermičnega energetskega vira17 ni potrebno pridobiti rudarske pravice (koncesije). Ker vrtina posega v podzemne vode, je potrebno v primeru, da je globlja od 30 m, pridobiti Dovoljenje za raziskave (DZR) podzemnih voda. 7. V primeru, da se odločamo za izvedbo vrtine za pridobivanje toplote iz podzemne vode globlje od 30 m, bomo morali pridobiti »dovoljenje za raziskave podzemnih voda - DZR« od ARSO. Enako velja za vse vrtine na vodovarstvenih območjih. Potrebno bo izpolniti vlogo, izdelati hidrogeološko poročilo z načrtom vrtine, vlogo predložiti na ARSO ter počakati na izdajo

Na podlagi Direktive 2009/28/ES EVROPSKEGA PARLAMENTA IN SVETA z dne 23. aprila 2009 o spodbujanju uporabe energije iz obnovljivih virov, morajo države članice zagotoviti, da bodo oziroma so sistemi certificiranja ali enakovredni sistemi kvalifikacij do 31. decembra 2012 na voljo inštalaterjem majhnih kotlov in peči na biomaso, solarnih fotovoltaičnih in solarnih termalnih sistemov, plitvih geotermalnih sistemov ter toplotnih črpalk (glej 14. člen in prilogo IV). Po vpeljavi zahtev direktive 2009/28/ES za certificiranje, oz. priznanje kvalifikacij inštalaterjem plitvih geotermalnih sistemov ter toplotnih črpalk, bodo razmere na trgu bolj pregledne (energetiki in inštalaterji se bodo razlikovali od trgovcev). Direktiva 2009/28/ES je dostopna na: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2009:140:0016:0062:SL:PDF. 17 Geotermični energetski vir je toplotna energija, ki se nahaja v geoloških plasteh pod površjem tal in se obnavlja s toplotnim tokom iz Zemljine notranjosti (ZRud. Ur. list RS, 61/2010)

dovoljenja za raziskave podzemnih voda. Če je predvidena vrtina globlja od 300 m, bo potrebno k vlogi priložiti tudi revidiran rudarski projekt vrtine. (Obrazec Vloga za izdajo dovoljenja za raziskave z obveznimi prilogami, je dostopna na spletni straneh Agencije RS za okolje18) 8. Če se vrtina nahaja v vodovarstvenem območju (razen v najožjem), bo potrebno vlogi za raziskave podzemnih voda priložiti še poročilo o analizi tveganja za vodni vir. Analiza tveganja lahko predvidi še dodatne zaščitne ukrepe, ki jih mora projektant upoštevati pri načrtovanju, kar nam lahko spremeni oceno investicije. V najslabšem primeru se lahko z analizo tveganja izkaže, da gradnja v načrtovanem načinu ni dopustna, kar pa je lahko odvisno od posameznega primera in vodovarstvenega območja. Zaradi tega je priporočljivo, da projektant v zvezi s tem že predhodno pridobi o tem informacije od ARSO za določeno vodovarstveno območje. 9. V primeru, da izberemo tehnologijo toplotne črpalke voda-voda in da bomo načrpano vodo uporabljali le za prenos oziroma izmenjavo toplote, bo ARSO zahteval, da se celotna količina načrpane vode v nespremenjenem stanju vrača nazaj v vodonosnik. To pomeni, da bomo morali izdelati še ponikovalno vrtino ali ponikovalnico/ponikovalno polje. Če bomo vodo ali del vode uporabljali še za druge namene, bomo morali za vsak namen dodatno pridobiti vodno pravico.

Slika 15. Lociranje mesta vrtine (avtor fotografije: Aleksander Bokan) 18

Raziskava podzemnih voda - vloga za pridobitev dovoljenja za raziskavo podzemnih voda (115. člen Zakona o vodah, Uradni list RS, št. 67/02, 110/02-ZGO-1, 2/04-ZZdrI-A, 41/04-ZVO-1 in 57/08) je dostopna na: http://www.arso.gov.si/vode/vodna%20dovoljenja/.

Izvedba vrtine: 10. Kljub temu, da, za izvajanje geosond za izkoriščanje geotermičnega energetskega vira do globine 300 m, ne potrebujemo dovoljenj za izvajanje rudarskih del, za skladnost izvedene vrtine z rudarsko tehnično dokumentacijo, tehničnimi predpisi in predpisi s področja zagotavljanja varnosti in zdravja pri delu odgovarja tehnični vodja vrtalnih del, zaradi česar je priporočljivo izdelati rudarski projekt vrtine19. 11. V izdanem dovoljenju za raziskave podzemnih voda so opisani pogoji, ki jih je potrebno izpolniti. Med njimi so lahko tudi obveznosti odvzema vzorcev navrtanine in zaključnega jedra ter njihova dostava na Geološki zavod Slovenije, izvedba poskusnega črpanja vode ali meritve prepustnosti tal ter izvedba karotažnih meritev. Izvajalec mora podati poročilo o izvedenih raziskavah najkasneje v 30 dneh po zaključku raziskav. To velja tako za vrtine za pridobivanje toplote iz podzemne vode, kot za geosonde.

Slika 16. Postavitev vrtalne garniture (avtor fotografije: Aleksander Bokan)

12. Po izdelavi vrtine se izvede vse potrebne meritve in ugotovi ali izvedena vrtina ustreza pričakovanim značilnostim in projektnim zahtevam. Testiranje mora ustrezati zahtevam DZR in navodilom za izvedbo črpalnega poskusa20. 19

Vrtina, namenjena izkoriščanju ogljikovodikov in geotermičnih energetskih virov, je točkovni površinski kop s podzemnim izkoriščanjem mineralne surovine (ZRud. Ur. list RS, 61/2010). 20 Navodila za izvedbo črpalnega poskusa so dostopna na: http://www.arso.gov.si/vode/vodna%20dovoljenja/.

Slika 17. Čiščenje črpalne vrtine (avtor fotografije: Aleksander Bokan)

Izkoriščanje vrtine: 13. Za izkoriščanje geotermičnega energetskega vira s pomočjo geosond ne potrebujemo dovoljenj. 14. V naslednjem koraku se izpolni vloga za pridobitev vodnega dovoljenja za neposredno rabo vode za pridobivanje toplote (ko ne gre za termalni vodonosnik)21. Po navodilih, prav tako dostopnih na spletnih straneh ARSO, je potrebno izdelati minimalno hidrogeološko poročilo, kadar je predviden odvzem vode manjši od 2 l/s, oziroma hidrogeološko poročilo v primeru večjega odvzema. Hidrogeološko poročilo o izvedenih raziskavah naj zato izvajalec (po možnosti) že pripravi v taki obliki, da ga bo možno uporabiti za vlogo za pridobitev vodnega dovoljenja.

Vodno dovoljenje – vloga za pridobitev vodnega dovoljenja za neposredno rabo vode za pridobivanje toplote (ko ne gre za termalni vodonosnik) (125. člen zakona o vodah, uradni list rs, št. 67/02, 110/02-zgo-1, 2/04-zzdri-a, 41/04-zvo-1 in 57/08) je dostopna na spletni strani ARSO: http://www.arso.gov.si/vode/vodna%20dovoljenja/.

15. Predložiti je potrebno tudi druge obvezne administrativne priloge, ki so navedene v vlogi za pridobitev vodnega dovoljenja za rabo podzemne vode za izkoriščanje toplote. 16. Po izdanem VD se vrtina lahko prične izkoriščati. V kolikor je trenutni odvzem vode večji od 2 l/s, je potrebno izvajati monitoring izkoriščanja podzemnih vod22 in o monitoringu letno poročati ARSO-u. Vodno soglasje: 17. V primerih, ko gre za poseg v prostor, za katerega ni treba pridobiti gradbenega dovoljenja po predpisih, ki urejajo graditev objektov, je pa treba pridobiti vodno soglasje na podlagi Zakona o vodah, mora pravna ali fizična oseba, ki namerava izvesti poseg v prostor, pred začetkom izvajanja posega pridobiti pogoje, ki jih mora izpolnjevati nameravani poseg (v nadaljnjem besedilu: pogoji za druge posege v prostor), nanašajo pa se na varstvo voda, urejanje voda, varstvo naravnega ravnovesja vodnih in obvodnih ekosistemov in obstoječe vodne pravice drugih oseb. Za poseg, kjer lahko pride do vpliva na podzemne vode, zlasti bogatenje vodonosnika ali vračanje vode v vodonosnik, je potrebno v oddelku ARSO, kjer stoji zemljišče, pridobiti tudi vodno soglasje23 za izdelavo črpalne in povratne vrtine (enostaven objekt). Podlaga za vodno soglasje je veljavno dovoljenje za raziskave podzemnih voda. 18. Na osnovi izdanega vodnega dovoljenja za neposredno rabo vode za pridobivanje toplote se mora v oddelku ARSO, kjer stoji zemljišče, pridobiti še vodno soglasje za uporabo objekta.

Obrazec za poročanje o izvajanju monitoringa podzemne vode je dostopen na: http://www.arso.gov.si/vode/vodna%20dovoljenja/porocilo-odvzemi.xls).

Obrazci za pridobitev vodnega soglasja so dostopni na: http://www.arso.gov.si/vode/Urejanje%20voda/Vodno%20soglasje/

Slika 18. Postopek postavitve toplotne Ä?rpalke v Sloveniji

9 VIRI Banks, D., 2008. An introduction to thermogeology: Ground source heating and cooling. Oxford: Blackwell Publishing, 339 str. Heap, R.D., 1979: Heat pumps. 155p. E & F.N. Spon Ltd., London. Gosar, A. & Ravnik, D., 2007: Uporabna geofizika. Naravoslovnotehniška fakulteta, Oddelek za geotehnologijo in rudarstvo, Univerza v Ljubljani, 218 str., Ljubljana. IOVE, 2009: Raba energije Zemlje in podzemnih voda. Avstrijski predlog pravne ureditve. Dukič B. (ured.), študijsko gradivo, zbirka Modro Sonce, IOVE, Kranj, 52 str. Lund, J.W., 2000: Ground-source (geothermal) heat pumps. V: P.J Lienau (conv.), Course on »Heating with geothermal energy: Conventional and new schemes«. WGC2000 Short Courses, Kazuno, Japan, 209-236. Lund, J.W., 2008: Characteristics, development and utilization of geothermal resources. Geothermal (ground-source) heat pumps. Interactive Seminar – Workshop 26: Geothermal fields development, e-Proceedings, PESS, June 9-13, Dubrovnik. Sanner, B., 2010: GeoTrainet 01: Overview shallow geothermal systems. 05: Basics on geology – what engineers and drillers need to know. GeoTrainet Course for designers and drillers, Peine, Germany, 17.-19..3.2010. Struckmeier, W.F. & Margat, J. 1995: Hydrogeological Maps: A guide and a standard legend: international contributions to hydrogeology, volume 17, 177 p. International Association of Hydrogeologists. Verlag Heinz Heise, Hannover.

10 RELEVANTNI SPLETNI VIRI Veliko dodatnih informacij o geotermalnih toplotnih črpalkah je na voljo tudi na medmrežju. Spodaj je navedenih le nekaj spletnih strani, kjer lahko najdemo koristne podatke o GTČ: Wiki (splošno o toplotnih črpalkah) http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pump http://en.wikipedia.org/wiki/Geothermal_heat_pump Evropski svet za geotermalno energijo (European Geothermal Energy Council) http://www.egec.org/ Mednarodna združenje geotermalnih toplotnih črpalk (International Ground Source Heat Pump Association) http://www.igshpa.okstate.edu IEA program za toplotne črpalke (IEA Heat Pump Programme) http://www.heatpumpcentre.org/en/aboutHPP/Sidor/default.aspx

Evropska mreža toplotnih črpalk (European Heat Pump Network): http://www.ehpn.de/en/ Evropsko združenje za toplotne črpalke (European Heat Pump Association): http://www.ehpa.org Nemško združenje za toplotne črpalke (Bundesverband WärmePumpe Deutschland - BWP) http://www.waermepumpe.de Avstrijsko združenje za toplotne črpalke (Bundesverband WärmePumpe Austria - BWP) http://www.bwp.at/ Švicarsko združenje za toplotne črpalke (Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz - FWS) http://www.fws.ch/ Spletna stran programa geotermalnih tehnologij (ZDA) http://www1.eere.energy.gov/geothermal/heatpumps.html