Metody měření kvality injektáže v zemních výměnících na tepelná čerpadla a jejich sanace

1. Úvod

Už je to asi 10 až 15 let, co neustále upozorňuji na nebezpečí propojování kolektorů nedostatečně injektovanými zemními výměníky. Také na řadě konferencí (např. Podzemní vody ve vodárenské praxi, TVIP 2018 – konference o krizovém řízení) jsem se zmiňoval, že hypotetické hydrogeologické sucho tak, jak nám ho prezentují státní organizace a sdělovací prostředky, může být mimo jiné způsobeno nekvalitně provedenými vrtnými pracemi a v poslední době hojně budovanými, ale chybně injektovanými zemními výměníky tepelných čerpadel. Už jenom současná nejpoužívanější sestava, kdy do vrtu o průměru 125 až 140 mm jsou těsně vedle sebe zasunuty 2 × 2 PE roury DN 32 mm (vnitřní průměr cca 25 mm), je obtížně injektovatelná a navíc má vzhledem k tepelným tokům velmi pochybnou účinnost. Už jsem se setkal s technikem, co si přeměřil účinnost takto vyhotoveného výměníku a konstatoval, „že si myslel, že má tepelné čerpadlo na geotermální energii, a přitom má jen lepší elektrokotel...“

2. Principy sond na měření kvality injektáže zemních výměníků

2.1 Gama-gama karotáž (GGK)

V roce 2015 byly na PřF UK zahájeny první testy s měřením hustoty hornin pomocí Comptonova rozptylu záření gama. Ne že by se metoda běžně nepoužívala při měření hustot v rámci gama-gama karotáže (GGK), ale vývoj maloprůměrové sondy s malým dosahem vyžadoval ověření odlišné geometrie. Jen pro uklidnění emocí některých orgánů statní správy. Jako zářič byl použit kus smolince ze sbírek PřF UK a jak je známo, minerály uranu nespadají pod režim radioaktivních materiálů. Na podkladě úspěšných testů si u mne v červnu 2015 objednalo oddělení karotáže firmy Aquatest vyrobení jedné sondy na měření injektáže zemních výměníků tepelných čerpadel. Pracovníci firmy dodali pro výrobu sondy speciální stínící materiál proti záření gama, a především zakoupili zdroj gama záření ¹³⁷Cesium. Zdroj příslušné intenzity byl vybrán na podkladě pokusů na zkušebním území na technickém pracovišti firmy v obci Nučice. Na základě zkušeností z testů byla v roce 2017 dokončena sonda na GGK o průměru 15 mm a délky 28 cm. Problém nastal při vyhledání lokality, kde by se měření sondou dalo ověřit.

Na jaře roku 2018 byla nedaleko Prahy realizována výstavba rodinných domů s projektovaným vytápěním tepelnými čerpadly. Spolu s kolegy z Aquatestu jsme měli možnost ověřit kvalitu prací spojených s budováním zemních výměníků pro tepelná čerpadla v horninách štěchovické skupiny barrandienského proterozoika. V rámci klasického karotážního měření se významně projevil obecný problém vrtů na tepelná čerpadla, a to jejich odklon od vertikály. Je naprosto běžné, že změřený odklon ve 100metrové hloubce je již 30 stupňů. Při pravidelné síti vrtů tento jev snižuje tepelnou účinnost vybudovaných zemních výměníků, nehledě na to, že vrty mohou zasahovat i pod cizí pozemky.

V rámci měření došlo i na ověření kvality injektáže maloprůměrovou sondou na GGK. Měřeny byly stavební firmou vybrané výměníky jak před injektáží, tak po injektáži. Zajímavé byly také výsledky měření výměníků předem „nevybraných“. Výsledky uvádím na obrázku 1 a 2. Z obrázků je na první pohled patrné, že část výměníků byla injektována nedostatečně. Z pochopitelných důvodů se měření přestalo líbit vedení stavby a měření na vrtech bylo proto ukončeno. Také bylo zajímavé pozorovat, jak psychopatické vedení stavebních firem (obvyklé psychické postižení vedoucích pracovníků stavebních firem v ČR plynoucí z prostředí, ve kterém se pohybují) si večer před spaním přečetlo Červenou karkulku, aby se na podkladě jejího podrobného studia stali přes noc odborníci na karotáž. Nicméně kvalita měření maloprůměrovou GGK sonda byla ověřena.

Obr. 1: Výsledky měření na lokalitě u Prahy na předem určených vrtech

Obr. 1: Výsledky měření na lokalitě u Prahy na předem určených vrtech. Modře jsou vyneseny měření ve čtyřech trubkách před injektáží, červeně pak v totožných trubkách po injektáži. Hodnoty pod 270 až 280 impulzů za sekundu lze považovat za oblast s kvalitní injektáží, hodnoty nad 290 až 300 impulzů za sekundu odpovídají nezainjektovaným oblastem. Na vrtu 2 v hloubkovém intervalu 44 až 52 m je patrně pozorovatelný vliv kaverny s vypadanou vrtnou drtí (52 m až 60 m) a s tektonickou poruchou. Ve vrtu 3 byl měřením indikován přerušený sloupec injektážních hmot v 56 m a 90 m. Tento jev byl pozorován i na dalších vrtech.

Obr. 2: Výsledky měření na lokalitě u Prahy na předem neurčených 100 metrů hlubokých vrtech

Obr. 2: Výsledky měření na lokalitě u Prahy na předem neurčených 100 metrů hlubokých vrtech (stavbařům za zády). Modře jsou vyneseny měření v trubkách před injektáží, červeně pak v trubkách po injektáži. Hodnoty pod 270 až 280 impulzů za sekundu lze považovat za oblast s kvalitní injektáží, hodnoty nad 290 až 300 impulzů za sekundu odpovídají nezainjektovaným oblastem. Tak jako ve vrtech 1 až 3, jsou i na vrtu 4 pozorovatelné problémy s injektáží do hloubky cca 14 m. Vrt 6 nebyl injektován do hloubky cca 70 m, naopak ve vrtu 5 chyběla injektáž až pod hloubkou 50 m.

Ve vlastní metodě injektáže vrtů určené pro zemní výměníky tepelných čerpadel a použitými materiály je zjevná prvotní chyba. Z obr. 1 a 2 je zřejmé, že v místech s prouděním podzemní vody dochází k rozplavování injektážní směsi do horninového masivu. Ve vrtech malých průměrů zbytek injektáže funguje jako píst, a tak se úbytek injektážní směsi ve vrtu na povrchu neprojeví. A to neuvažuji podvody vrtných firem, které při zjištění úbytku injektáže dosypávají do vrtu suchou injektážní směs.

2.2 Měření přirozeného gradientu teplot zemského masivu

Měření maloprůměrovou GGK sondou bylo ověřeno také na lokalitě nedaleko Jaroměře, kde došlo vlivem nedostatečné injektáže zemního výměníku ke ztrátě vody v prameni zásobující obec vodou. Maloprůměrovou sondou GGK byly proměřeny všechny čtyři trubky tepelného výměníku. Výsledky měření jsou spolu s litologickou stavbou uvedeny na obrázku 3. Vedení vrtné firmy namítlo, že se měřením hustot nejedná o důkaz proudění vody vrtem. Na proudění vody vrtem se v rámci karotážních měření standardně používá mimo jiné i měření přirozeného vertikálního tepelného gradientu země. Termometrie je proto druhou metodou, která se v kombinaci s gama-gama karotáží běžně používá pro kontrolu kvality zaplášťového těsnění. Přirozený tepelný gradient v oblasti českého masivu je 2 až 3 °C na 100 m hloubky. Proudící voda ve vrtu tento gradient narušuje. Protože se vrty na tepelná čerpadla hloubí do obdobných hloubek v řádech prvních stovek metrů tak měření přirozeného gradientu může být pro státní správu prvním snadno měřitelným vodítkem kvality injektáže vrtů na tepelná čerpadla.

Obr. 3: Měření na vrtu ve východních Čechách

Obr. 3: Měření na vrtu ve východních Čechách. Na křivce gama-gama karotáže (červená křivka vlevo) je vyznačena oblast s injektáží (vlevo od fialové čáry), nezainjektovanou oblast ve vrtu lze odvodit z křivky nacházející se vpravo od modré čáry. Teplota (graf na obrázku vpravo) v T−2:30 byla měřena před prohříváním masivu, teploty v T+0:15 až T+1:25 byly naměřeny po hodinovém prohřívání horninového masivu tepelným výkonem 3 KW.

Maloprůměrová GGK sonda má jeden vážný provozní nedostatek. Z principu metody vyplývá nutnost použití silného zdroje gama záření, které není bez požehnání státních úřadů v České republice legální. K nakládání ze zdroji ionizujícího záření jsou nutná všechna povolení vyplývajících z atomového zákona. To platí nejen pro vlastní manipulaci se zářičem (zkoušky, formuláře), pro jeho dopravu (nebezpečný náklad – ADR převoz), ale i pro splnění přísných podmínek kladených na obaly zářičů (speciální kontejnery) a uskladnění (speciální stíněné prostory). Navíc, pokud někdo doma nevlastní malý atomový reaktor, tak získání radioaktivních izotopů není levná záležitost. Oproti tomu teploměr s přesností na desetiny až setiny stupně Celsia je běžnou součástí některých sond na měření hladin vody ve vrtech (průměr sond pod 16 mm). Měření s přesností na desetinu stupně je už dostatečně přesné k informativnímu proměření tepelného výměníku, zda v něm nedochází k vertikálnímu propojení hydrogeologických kolektorů - neboli, zda je dostatečně injektován. Proměření přirozeného gradientu teploty v zemním výměníku by se tak mělo stát základem pro kladné kolaudační rozhodnutí. Ano, dá se souhlasit, že v rámci masivního měření přirozených tepelných gradientů v zemních výměnících tepelných čerpadel bude docházet k podvodům (obdobně dochází k podvodům v rámci hydrodynamických testů na vrtech, kdy hydrogeolog aplikuje křivky z dříve proměřených lokalit). Ale i tak bude možnost na podkladě měření tepelného gradientu předběžně kontrolovat kvalitu injektáže zemních výměníků pro tepelná čerpadla.

2.3 Indukovaná termometrie

Pro měření na lokalitě nedaleko Jaroměře jsem si vyrobil teploměr s dělením měřeného rozsahu na setiny stupně Celsia. V rámci výroby teploměru mě napadla myšlenka, jak by vypadala křivka teplot při chlazení prohřátého masivu proudící vodou mezi vrtem propojenými kolektory. Prakticky se jedná o modifikaci v karotáži oblíbené metody ředění označené kapaliny. Myšlenku jsem realizoval do podoby zařízení ne nepodobnému zařízení na tzv. TRT testy (obdoba hydrodynamického testu na zemních výměnících pro tepelná čerpadla). Zařízení s tepelným výkonem 3 KW (odvozeno z maximálního proudu 16 A v zásuvce na 220 V) dokázalo v podmínkách východní části české křídové pánve za hodinu prohřát horninový masiv z cca 8 °C na 15 °C (obr. 4, 5 a 3). To byl dostatečný rozdíl teplot, aby se ve vrtu dal měřit vliv proudění vody vně trubek tepelného výměníku v nezainjektované části vrtu. Jen pro informaci k obrázku 3, voda proudí vrtem (voda z prvního puklinového kolektoru teče vně trubek) v hloubkovém intervalu 28 m až 36 m (hladina vody ve vrtu v cca 36 m) a zasakuje se do průlinového kolektoru v intervalu 36 m až cca 50 m (prezentované karotážní měření bylo ověřeno v průběhu sanace vrtu).

Obr. 4: Klasické zařízení na TRT testy o tepelném výkonu 5 KW

Obr. 5: Home made zařízení na TRT testy o tepelném výkonu 3 KW (cena 20 000 Kč i s prací), měřicí ústředna s GSM přenosem má rozměr 20 × 30 × 8 cm

3. Likvidace vadně injektovaných zemních výměníků pro tepelná čerpadla

V praxi ale nejde jenom o detekci vadné injektáže vrtů na tepelná čerpadla, ale i o možnost detekovanou absenci injektáže opravit. V případě, kdy je vrt vyhlouben do tvrdého horninového masivu na pozemku vně budovy není problém vrt zemního výměníku znovu převrtat a znovu ho vystrojit a injektovat. PE trubky zainjektované cementovou směsí jsou přeci jenom měkčí, než granit nebo amfibolit. Horší situace je však u tepelných výměníků instalovaných pod základy budov nebo vrtech v sedimentárních horninách, kde i pouhá přítomnost plastových PE trubek mnohdy představuje významné zvýšení pevnosti horninového masivu. A to ani neuvažuji přítomnost tektonických poruch. Je vysoká pravděpodobnost, že při pokusu o převrtání takto situovaného vrtu na tepelné čerpadlo vrtné nářadí uhne z původního vrtu. Rázem tak máme problémy dva, oba již obtížně řešitelné. Proto je nutnou podmínkou likvidaci špatně injektovaných vrtů pro zemní výměníky tepelných čerpadel dokonalá znalost geometrie prostoru vně instalovaných trubek včetně proudění podzemní vody. Tyto informace lze současné době získat pomocí výše uvedených metod měření.

V roce 2019 byly realizovány práce na lokalitě u Jaroměře s cílem zamezit ve vrtech osazené zemními výměníky tepelných čerpadel vertikálnímu proudění podzemní vody. Jedná se o lokalitu z obr. 3. Na lokalitě byly vyhloubeny a vystrojeny dva totožné vrty. Výsledky měření GGK, přirozeného teplotního gradientu a indukované termometrie byly také totožné. Abych se problémům s převrtáním původního vrtu realizovaného v měkkém nehomogenním materiálu vyhnul (tektonicky porušené rozpadavé pískovce stáří cenoman), otestoval jsem na lokalitě u Jaroměře možnost injektáže vrtů pro tepelné čerpadlo vnitřkem instalovaných trubek pro zemní tepelný výměník. V roce 2018 až 2019 proběhly v areálu firmy Explosia a. s. experimentální odstřely plastových trubek. Na podkladě experimentů byly vyvinuty nálože plastické trhaviny semtex umožňující bezpečné trhací práce v maloprůměrových trubkách v intravilánu obcí. Instalované PE trubky na lokalitě u Jaroměře střelmistr s odborností na práce ve vrtech postupně v oblastech litologických přechodů naperforoval vyvinutou náloží semtexu a vzniklými otvory byly vrty doinjektovány. Vrty jsou v oblasti krystalinika a permu sanovány objemem injektážní směsi odpovídající objemu vrtu. V pískovcích stáří cenoman se projevily účinky zastižené tektonické poruchy, kdy do dvou vrtů musely být trubkou o průměru 25 mm nainjektovány 6,2 m³ injektáže (první vrt 1,9 m³, druhý vrt 4,3 m³). Práce na lokalitě byly ukončeny pozorovatelným nástupem hladin podzemních vod dne 18. 10. 2019 (jedna naperforovaná roura výměníku posloužila ke sledování hladin podzemní vody). Dne 23. 10. 2019 zaregistrovali obyvatelé okolních pozemků nástup hladin vody v jejich studnách a o den později i obnovu využívaných pramenních vývěrů v obci (obr. 6 a 7).

Obr. 6: Přepad z pramene v obci dne 24. 10. 2019

Obr. 7: Voda v druhém prameništi dne 24. 10. 2019

5. Závěr

Vyvinuté metody měření kvality injektáže a sanace vrtů na zemní výměníky tepelných čerpadel umožňují proměřovat a sanovat již stavebně zabudované tepelné výměníky i pod základy staveb bez nutnosti významných stavebních zásahů a příjezdu těžké techniky na lokalitu. Podle výsledků realizovaných měření v letech 2018 až 2019 by bylo možné prosadit masivní kontrolu kvality injektáže zemních výměníků tepelných čerpadel. Ta by probíhala ve dvou stupních. Nezávislý hydrogeologický dozor nebo dohled by před napojením výměníku na tepelné čerpadlo přeměřil přirozený gradient v PE rourách (stačí v jedné ale ve dvou je to jistota). Lineární přirozený gradient by ověřil kvalitu injektáže a znamenal by udělení kolaudačního rozhodnutí na stavbu. Pokud by nebyl gradient lineární, pak by bylo nutné ověřit kvalitu injektáže maloprůměrovou GGK sondou a indukovanou termometrií. K prohřátí masivu lze samozřejmě využít reaktivní teplo vznikající při tuhnutí cementu. Navržený systém měření by umožnil v maximální míře eliminovat ztráty podzemních vod do hlubších kolektorů vlivem nekvalitních vrtných prací realizovaných v rámci budování zemních výměníků tepelných čerpadel. Nemusely by se tak donekonečna řešit sousedské spory, kdo a proč ve vesnici vzal lidem vodu.

6. Literatura

1. MAREŠ, S. Úvod do užité geofyziky, SNTL, ALFA, Praha, 1979
2. https://www.ekotechnika.cz/kategorie/vyrobky/merici-pristroje
3. https://www.solinst.com/products/
4. http://www.npke.cz/hladinomery.php