Pompa ciepła z zasobnikiem lodu

Rys. Pompa ciepła z zasobnikiem lodu (rys. Vissmann)

Rozwiązanie, które opiszę poniżej, trudno jednoznacznie klasyfikować. Jest to połączenia kilku różnych technologii w jedną, zwiększającą wydajność i sprawność pompy ciepła. Zasobniki lodu, to betonowe lub tworzywowe zbiorniki wypełnione wodą i zakopane w gruncie, które przy „ładowaniu” korzystają z kilku różnych źródeł ciepła: gruntu, kolektorów słonecznych, ciepła powietrza, itp.. Stanowią dolne źródło ciepła, dla pompy ciepła typu solanka/woda i mogą pełnić dwie funkcje:

  •  centralnego zasobnika ciepła w okresie grzewczym,
  •  zasobnika wody lodowej w okresie letnim.

  Ich dodatkową zaletą jest wykorzystanie zjawiska zamarzania wody do dostarczenia dodatkowej porcji energii dla solankowej pompy ciepła. Jak to możliwe, że lód może dostarczać energię do układu? Prześledźmy to na poniższym wykresie. 

Rys. Wykres przemian termodynamicznych wody i związane z tym zapotrzebowanie ciepła.

Woda jest największym i jednocześnie tanim rezerwuarem ciepła, potrafi zgromadzić w sobie ogromne jego ilości, stąd nieprzypadkowo wykorzystana jest w magazynach energii. Dla stopienia 1 kg lodu potrzeba 93 Wh energii. Dla podgrzania tej samej ilości wody od temperatury 0 stopni do temperatury wrzenia potrzeba niewiele więcej, bo 116 Wh energii. Zjawiska parowania i skraplania w tym przypadku nie wykorzystamy, dlatego skupmy się na dwóch pierwszych. Ilość ciepła pokazana na wykresie jest identyczna w obu jego kierunkach, czyli aby schłodzić 1 kg wody od temperatury 100 stopni do 0 stopni, trzeba z niej odprowadzić 116 Wh energii, aby zamienić potem ten 1kg w lód, trzeba dodatkowo odebrać z układu 93 Wh energii. To zjawisko jest właśnie wykorzystywane w magazynach lodu. Energia potrzebna do zamiany wody w lód zapewnia przez długi czas stałą temperaturę wody w zbiorniku, w pobliżu 0 stopni, dopóki cała objętość wody nie ulegnie zamarznięciu. 

Zwracam uwagę, że współczesna pompa ciepła, pracująca np. na czynniku R270 (propan) potrzebuje do odparowania czynnika krążącego w układzie bardzo niewielkich temperatur. Propan paruje już w temperaturze poniżej -40C, w temperaturze -25 stopni udaje się już uzyskać w miarę opłacalną sprawność układu. Przy temperaturze 0 stopni, pompa taka ma już całkiem wysoki współczynnik COP. Te parametry pracy powodują, że zasobniki lodu stają się bardzo korzystnym rozwiązaniem, dodatkowo zapewniając klimatyzowanie pomieszczeń w okresie letnim.

Jak pracuje instalacja z zasobnikiem lodu?

W układzie pompy ciepła zamocowany jest zbiornik wody, zakopany w ziemi i podłączony do dwóch obiegów:

  • pompy ciepła
  • kolektora dachowego

Rys. Schemat pracy instalacji z zasobnikiem lodu. A- energia ze słońca, B- energia z powietrza, C- energia gruntu, 1- absorber solarny, 2 – zasobnik lodu, 3- sterownik źródła ciepła, 4-ompa ciepła, 5-wymiennik ciepła do systemu chłodzenia

 Ładowanie zasobnika ciepłem odbywa się na zasadzie jego wymiany pomiędzy zasobnikiem, a kolektorem słonecznym, lub pomiędzy zasobnikiem a gruntem. W okresie letnim zasobnik pozyskuje energię ze słońca, a przy jego braku, z powietrza zewnętrznego. Jednocześnie nadmiar ciepła gromadzący się w zasobniku ucieka poprzez jego ścianki do gruntu, dzięki czemu temperatura wody w zasobniku nie przekracza nigdy 20°C. Pobór w tym okresie energii z zasobnika, jest szybko regenerowany poprzez kolektor dachowy. W okresie zimowym zyski ciepła od słońca i powietrza maleją, temperatura wody w zasobniku powoli spada. Gdy osiągnie poziom 0°C, zaczyna się powolne zamarzanie wody. Proces ten zachodzi zawsze od środka zasobnika ku jego ściankom zewnętrznym. Temperatura wody w zasobniku jest w tym przypadku stała, do momentu, dopóki nie zamarznie cała woda w zbiorniku. Jednocześnie cały czas zbiornik zyskuje ciepło poprzez ścianki od otaczającego gruntu, jak też od kolektora dachowego, jeśli tylko jego temperatura jest >0°C. Wszystko to powoduje, że temperatura dolnego źródła pompy ciepła, podczas całego roku, waha się pomiędzy 0-20C i w porównaniu do innych dolnych źródeł ma bardzo wysoką sprawność średnioroczną.

Fot. Zasobnik lodu

Jak zbudowany jest zasobnik lodu?

Budowę zasobnika i pozostałej części instalacji omówię na przykładzie rozwiązania firmy Vissmann, o nazwie VITOFRIOCAL. Zasobnik wykonany jest tutaj z betonu, ma kształt walca ze stożkowym zwieńczeniem, o wysokości całkowitej 3375mm i średnicy 2700mm. Pojemność wodna zbiornika wynosi około 10000litrów. Całkowita moc zbiornika, jako dolnego źródła ciepła wynosi do 10kW. Jeśli zapotrzebowanie energii jest większe, możliwe jest łączenie ze sobą kilku zasobników.

Wewnątrz zbiornika wykonane są wężownice z rur PE średnicy 32mm, w kolorze czarnym, zamocowane spiralnie na konstrukcji wsporczej i połączone w górnej części z rozdzielaczami (fot. poniżej). Jedna z wężownic pracuje w obiegu kolektora słonecznego, druga w obiegu pompy ciepła. 

W górnej części zbiornika znajduje się też przelew, bowiem całość pracuje grawitacyjnie, bezciśnieniowo. Nadmiar wody z zasobnika usuwany jest więc rurą przelewową do kanalizacji. U dołu wygląd zasobnika po zamarznięciu wody wokół rur.

Kolektor dachowy – nie przypomina tutaj typowego kolektora próżniowego, ani płaskiego. W przypadku zasobników lodu stosowane są kolektory o konstrukcji zbliżonej do instalacji basenowych. Absorbery wykonywane są w kolorze czarnym z rur PE i mają postać registrów o całkowitej powierzchni wymiany ciepła (jeden moduł) 9,1m2, przy czym sama powierzchnia absorbująca promieniowanie słoneczne jest mniejsza i wynosi 2,34m2. Całkowite wymiary to 2120x1278x50mm. Masa bez glikolu 38kg, po napełnieniu 81kg. Można stosować oczywiście inne rozwiązania, ale posiadające wspólną cechę wymienników ciepła powietrzno-słonecznych, czyli o konstrukcji bezszybowej.

Kolektory jak na zdjęciu obok, można łączyć w baterie, z zastrzeżeniem maksymalnie 8 modułów, przy połączeniu szeregowym i max. dwóch szeregach przy połączeniu równoległym. Kolektory można mocować na dachu stromym, płaskim jak i na ścianie budynku. Minimalny kąt montażu to 5 stopni, a odległość pola kolektorów od brzegu dachu – 1m.  Poniżej pokazuję możliwe układy pracy kolektorów.

Rys. Montaż szeregowy do ośmiu kolektorów w rzędzie.

Rys. Montaż równoległo-szeregowy. Łącznie do 16 modułów w układzie.

Montaż i planowanie zbiorników

Zasobniki lodu są bardzo ciężkie, jeden zbiornik waży blisko 9 ton, dlatego wymaga specjalistycznych samochodów dostawczych. Wykop należy wykonać na miejscu i należy go przygotować w następujący sposób:

1. Wykop musi być dostępny dla pojazdu dostawczego:

  • Maksymalna odległość od drogi dojazdowej do wykopu: 3,5m
  • Wolna przestrzeń robocza: min 6 x 11 m

Fot. Montaż zbiornika w wykopie

Fot. Montowanie płyty stożkowej.

Fot. Prace wykończeniowe przy montażu zbiornika.

2. Jeśli nie ma dostępu, lub wolna przestrzeń robocza nie jest wystarczająca, na miejscu należy zapewnić odpowiedni dźwig samochodowy.

3. Minimalne odległości między dwoma zbiornikami powinny wynosić 2m, licząc od ściany do ściany zbiornika. Należy też zachować tę odległość pomiędzy ścianą zbiornika, a fundamentem budynku oraz pomiędzy zbiornikiem a wodociągiem.

4. Przelew grawitacyjny musi być umieszczony na głębokości minimum 1m, lub poniżej strefy przemarzania gruntu dla danej miejscowości.

5. Należy rozważyć możliwość cofki na przelewie, przy niekorzystnie położonych budynkach.

6. Dno wykopu pod zasobnik należy wyrównać i wysypać  minimum 20cm warstwą piasku żwirowego o ziarnistości 0-16mm.

7. Minimalne przykrycie ziemią wynosi 1m licząc od powierzchni, do dolnej krawędzi stożka.

8. Wszystkie prace ziemne należy wykonywać zgodnie z obowiązującymi przepisami. Przy opuszczaniu zbiornika do wykopu należy brać pod uwagę klin odłamu gruntu, maksymalny zasięg żurawia i sposób podparcia.

Rys. Minimalna odległość łap żurawia od krawędzi wykopu. 

Odprowadzenie wody ze zbiornika może być wykonane do kanalizacji lub do drenażu żwirowego. W tym drugim przypadku zaleca się, aby minimalna objętość drenażu wynosiła 0,5m3 , a jego głębokość znajdowała się poniżej strefy przemarzania i w minimalnej odległości od zbiornika 1m (rys. poniżej)