Ogrzewanie lodem – nowe metody pozyskiwania ciepła

Ogrzewanie lodem to nic innego jak wykorzystanie dodatkowego ciepła uzyskiwanego z zamarzającej wody, które to ciepło wykorzystuje pompa ciepła Vitocal. Rozwiązanie to jest już sprawdzone w domach i większych obiektach znajdujących się w Niemczech. U nas dopiero wchodzi na rynek i może być doskonałą alternatywą dla poziomego wymiennika gruntowego jak również dla pionowych sond gruntowych.

Głównym elementem systemu ogrzewania lodem jest okrągły betonowy zbiornik o pojemności 10 m³ (10 000 litrów). Zakopuje się go w gruncie i napełnia wodą wodociągową. Dlaczego nie deszczówką czy wodą z rzeczki lub jeziora? Bo wtedy możemy spodziewać się, że w zbiorniku pojawią się algi lub muł. Algi powodują pogorszenie wymiany ciepła na rurach wymiennika zatopionych w wodzie. Napełniając zbiornik wodą wodociągową nie będzie takiego problemu, bo zbiornik jest zamknięty i nie dociera do jego wnętrza światło dzienne.

Ogrzewanie lodem – zbiornik

Betonowy zbiornik ma średnicę 2,5 m i wysokość 3,56 m, zakopywany jest w gruncie poniżej strefy przemarzania. W zależności od zapotrzebowania na ciepło budynku instalacja może składać się z jednego lub kilku takich zbiorników. Dla pompy ciepła o mocy grzewczej 10 kW jeden zbiornik będzie wystarczający – zapewni wystarczającą ilość ciepła dla pompy ciepła w całym okresie grzewczym. Może również stanowić źródło niskiej temperatury dla chłodzenia pomieszczeń w okresie letnim.
Wewnątrz zbiornika, w wodzie, umieszczone są dwa wymienniki ciepła – wężownice z rur z tworzywa sztucznego. Przez pierwszy wymiennik przepływa solanka z instalacji pompy ciepła. Drugi wymiennik, umieszczony przy ściankach zewnętrznych zbiornika, połączony jest z kolektorem powietrzno-słonecznym.

Zbiornik lodu

Zbiornik lodu

 

Ogrzewanie lodem – kolektor powietrzno-słoneczny

Kolektor ma tutaj znacznie prostszą budowę niż typowe kolektory słoneczne. Nie ma szyby i izolacji cieplnej. Wykonany jest z połączonych ze sobą rur z tworzywa sztucznego – i to wszystko. Kolektor pozyskuje ciepło przede wszystkim z otaczającego go powietrza atmosferycznego, nie tylko w dzień ale również w nocy. Kiedy świeci słońce nagrzewa rury kolektora, tym samym płyn, który w nich się znajduje. Tak więc, ciepło pozyskane z powietrza i/lub promieniowania słonecznego zasila pompę ciepła lub magazynowane jest w zasobniku lodu. Nad wyborem źródła ciepła i optymalną pracą instalacji czuwa regulator pompy ciepła.

Ogrzewanie lodem – pompa ciepła

Nie każda pompa ciepła będzie dobrze pracować w instalacji z zasobnikiem ludu. Przede wszystkim musi mieć możliwość pracy przy niskich temperaturach solanki, której temperatura w sezonie grzewczym może wynosić od +25 do -7°C. Regulator pompy ciepła powinien umożliwiać kontrolę i wykorzystanie dostępnego w danej chwili źródła ciepła – kolektorów lub zasobnika lodu.

Ogrzewanie lodem – jak to działa?

System zasobnika lodu wykorzystuje ciepło z kilku źródeł: z powietrza, z promieniowania słonecznego, z gruntu i z zamarzania wody. Ich optymalnym wykorzystaniem steruje regulator zabudowany w pompie ciepła Vitocal.

Schemat instalacji pompy ciepła z zasobnikiem lodu

Schemat instalacji pompy ciepła z zasobnikiem lodu

 

Ciepło z zamarzania wody

Jeśli pompa ciepła ochłodzi wodę w zasobniku lodu do temperatury 0°C, zacznie ona zamarzać – tworzy się lód. Pompa ciepła nadal może pracować, więc ilość lodu w zasobniku będzie się zwiększać, nadal przy tej samej temperaturze wody i lodu: 0°C. Taka sytuacja będzie mieć miejsce aż do zamarznięcia całej wody w zasobniku. Czyli wykorzystujemy własność wody, która zamarza przy stałej temperaturze 0°C, a zamarzanie wody dostarcza dodatkowe ciepło dla pompy ciepła. Dopiero po zamarznięciu całej wody w zasobniku temperatura lodu będzie się obniżać, tym samym obniży się temperatura solanki zasilającej pompę ciepła. Pompy Vitocal mogą być zasilane solanką o temperaturze nawet: -10°C.
W zasobniku lód tworzy się najpierw w środkowej części zasobnika wzdłuż całej jego wysokości. Następnie, oblodzenie zmierza w kierunku ścian zewnętrznych zbiornika. W ten sposób nie ma niebezpieczeństwa, że lód rozsadzi zbiornik. Rozmrażanie wody (tajenie), przebiega w kierunku odwrotnym, tj. od zewnątrz do środka zasobnika.

Kierunek zamarzani i topnienia lodu w zasobniku.

Kierunek zamarzani i topnienia lodu w zasobniku.

Oblodzenie wężownic w zasobniku lodu.

Oblodzenie wężownic w zasobniku lodu.

Proces zamarzania wody w zasobniku jest zjawiskiem korzystnym, gdyż uwalniana jest dodatkowa ilość energii cieplnej. Podczas zamarzania 1 kg wody uzyskujemy 93 Wh/(kgK) energii, którą może wykorzystać pompa ciepła. Przy zamarzaniu woda i lód mają stałą temperaturę: 0°C, aż do zamarznięcia całej wody w zasobniku. Dla porównania, taką samą ilość energii cieplnej uzyskamy schładzając 1 kg wody o temperaturze 80°C do 0°C.
Podczas zamarzania 10000 litrów wody, pompa ciepła może pobrać z zasobnika 930 kWh energii cieplnej.
Ciepło z otoczenia jest stale dostarczane do zasobnika i zapewnia jego regenerację – podniesienie temperatury wody lub topnienie lodu. Ciepło dostarczane jest przez gruntu otaczający zasobnik i w określonych sytuacjach przez kolektory powietrzno-solarne. W ten sposób lód w zasobniku topi się, stanowiąc dodatkowe źródło ciepła dla pompy ciepła.

Ciepło z gruntu

Nawet przy całkowicie zamarzniętej wodzie w zasobniku stale dopływa do niego ciepło z otaczającego go gruntu. Ilość ciepła pozyskiwana przez zasobnik z gruntu, zależy od jego rodzaju. Latem natomiast, zasobnik oddaje nadmiar ciepła do gruntu. Uzyskuje się w ten sposób efekt samoregulacji, zapobiegający przegrzewaniu się zasobnika w miesiącach ciepłych.

Ciepło z kolektora

Kolektory o prostej budowie, nazywane również „powietrznymi absorberami solarnymi” przewidziane są głównie do pozyskiwania ciepła z powietrza atmosferycznego, gdyż jest ono do dyspozycji zarówno w dzień, jak i w nocy. Promieniowanie słoneczne jest tylko mile widzianym dodatkowym źródłem energii podnoszącym efektywność kolektorów.
Dlaczego nie tradycyjne kolektory? Tradycyjne kolektory słoneczne wykorzystują ciepło z promieniowania słonecznego, a tego w zimie jest stosunkowo mało. Pracowałyby przy stosunkowo niskich temperaturach solanki co skutkować może osadzaniem się wilgoci na szybie kolektora i znaczną utratą jego efektywności pracy, Ponadto koszt inwestycji byłby znacznie wyższy.
Optymalnym rozwiązaniem są wiec proste kolektory: gwarantują tańszą inwestycję, wykorzystują przede wszystkim ciepło z powietrza, mogą skutecznie pracować przy niskich temperaturach solanki.
Ciepło pozyskane przez kolektory (z powietrza i promieniowania słonecznego) doprowadzane jest do wężownicy „solarnej” w zasobniku. Ta z kolei nagrzewa znajdująca się w nim wodę lub topi lód.
Jeśli ilość ciepła z kolektorów jest wystarczająca, pompa ciepła może korzystać z niego bezpośrednio – z pominięciem zasobnika lodu. Nad wszystkim czuwa regulator pompy ciepła, który stale kontroluje temperatury i wybiera optymalny sposób pracy pompy ciepła.

Kolektory dla zbiornika lodu

Kolektory dla zbiornika lodu

 

Chłodzenie domu zasobnikiem lodu

Zasobnik lodu można również wykorzystać do naturalnego chłodzenia pomieszczeń w lecie, tzw. natural cooling. W tym celu należy pod koniec sezonu grzewczego doprowadzić do pełnego zamarznięcia zasobnika. Powstały lód będzie naturalnym źródłem chłodu. Jeśli okaże się, że potrzebujemy większej mocy do chodzenia domu, wówczas można włączyć pompę ciepła w trybie chłodzenia aktywnego.

Wydajność prawidłowo dobranego systemu zasobnika lodu jest porównywalna z wydajnością instalacji z sondami gruntowymi. Jednocześnie, montaż nie wymaga specjalistycznego sprzętu i w mniejszym stopniu ingeruje w otoczenie domu.