Solanka, grunt, powietrze, woda – jako dolne źródła ciepła są powszechnie znane.

Aby zredukować ilość koniecznych do dopełnienia formalności przy wykonywaniu głębokich odwiertów, poszukuje się coraz to nowych rozwiązań. Jednym ze sposobów jest pobieranie ciepła z lodu. Jak to możliwe?

Sposób działania systemu z zasobnikiem lodowym
Pompy ciepła, które mają moc do ok. 17 kW mogą współpracować z zakopanym na głębokości ok. 4 m zasobnikiem energii, który nazywany jest zasobnikiem lodu. Taki zasobnik, o objętości ok. 12 m3 wypełniony jest wodą wodociągową. Objętość wody nie może przekroczyć 10 m3. Taki zasobnik, zwany „dzwonem”, lokalizowany jest w niedużej odległości od budynku (nie dalej niż 3 m). Czynnik niezamarzający krąży w wężownicy, zanurzonej w całej objętości wody i jest transportowany do wymiennika ciepła. Woda, od której czynnik odbiera ciepło i przekazuje je do wymiennika, jest więc dolnym źródłem ciepła. Pojemność energetyczna wody jest ograniczona. Wynosi 1,163 Wh/(kg*K). Wynika z tego, że jeżeli schłodzimy jeden kilogram wody o jeden stopień Kelvina to uzyskamy 1,163 Wh energii. Woda podczas odbierania od niej ciepła schładza się aż do 0°C. Podczas dalszego schładzania następuje jej przemiana fazowa w lód, która pod względem energetycznym jest bardzo korzystna. Uwalniana jest wtedy dużo większa ilość energii, niż podczas zwykłego obniżenia temperatury [93 Wh/(kg*K)]. Podczas przemiany fazowej uwalnia się więc z takiego zbiornika ok. 930 kWh, a podczas oddania ciepła tylko około 116 kWh. Woda w dzwonie może zamarzać również podczas utrzymującej się przez dłuższy okres czasu ujemnej temperatury na zewnątrz. Na samym początku lód tworzy się wokół wężownicy odbierającej ciepło, po czym rozrasta się na zewnątrz. Sposób rozmieszczenia rur wężownicy w zbiorniku powoduje, że oblodzenie zwiększa powierzchnię wymiany ciepła. Większa powierzchnia lodu przejmuje więcej ciepła, ale ogranicza jego transport do obiegu solanki. Strumień ciepła jest więc stały. Wynika z tego, że woda w zbiorniku podziemnym nie może być ani jedynym, ani głównym dolnym źródłem ciepła dla pompy ciepła. W takiej sytuacji jako główne dolne źródło ciepła stosuje się znane od lat kolektory powietrzne, które korzystają zarówno z energii promieniowania słonecznego, jak i z powietrza. Takim kolektorem słonecznym może być dla przykładu rura PE usytuowana na dachu. Można również kupić specjalne, dedykowane dla pompy ciepła z zasobnikiem lodu, zestawy kolektorów powietrznych. Kolektory powietrzne wypełnia ten sam czynnik niezamarzający, który przepływa przez pompę ciepła (temp. max 60˚C). Energia, która jest uzyskana z powietrznego absorbera doprowadzana jest wężownicą regeneracyjną do czynnika roboczego w zasobniku lodowym, roztapiając lód. Dodatkowo, oprócz ciepła z powietrza i promieniowania słonecznego, zasobnik pobiera również ciepło z gruntu, które dopływa do zasobnika nawet, gdy wypełniająca go woda jest całkowicie zamarznięta. Do współpracy z takim układem kolektorów powietrznych, pompy ciepła wyposażone są w zawór rozprężny. Pompy, które posiadają taki zawór są odporne na zmiany temperatury w dolnym źródle. Dzięki temu, pracują one efektywnie. Aby pompa ciepła mogła pracować w takim układzie, musi koniecznie posiadać możliwość chłodzenia całej instalacji. Wnioskując, zasobnik lodu spełnia tutaj podwójne zadanie. (Viessmann Vitocal 300-G) Na podstawie wyników badań pracy instalacji o mocy 120 kW, współpracującej z zasobnikiem lodu o objętości 170 m3 zebranych w ciągu roku, wynika, że zdecydowana większość energii jest uzyskiwana z kolektora powietrznego.

lod schemat
Schemat budowy instalacji pompy ciepła z zasobnikiem lodowym (źródło: Viessmann)


W jakich sytuacjach warto zainwestować w zasobnik lodu?
Jest on bardzo dobrym rozwiązaniem dla klasycznych dolnych źródeł ciepła typu solanka/woda. Wykorzystanie zasobnika lodu nie wymaga sporządzenia projektu prac geologicznych, a prace wykonawcze i instalacyjne są mało inwazyjne dla otoczenia. W takiego typu instalacje inwestują coraz bardziej nasi zachodni sąsiedzi. Niemcy poszukują bowiem rozwiązań, które będą jak najmniej zbiurokratyzowane. Coraz trudniej tam uzyskać pozwolenie na wykonywanie odwiertów i ich późniejszą eksploatację. Co więcej, dzięki zasobnikowi lodu w okresie letnim użytkownik dysponuje dużo większym zapasem chłodu. W tym celu, pod koniec okresu grzewczego należy doprowadzić do całkowitego zamarznięcia zasobnika lodowego (odcinając obieg regenerujący). Powstały w ten sposób lód będzie odbierał ciepło od systemu grzewczego. Dzięki temu dojdzie do stopniowego topienia bryły lodowej i podgrzewania wody. Jeżeli ilość chłodu zakumulowana w lodzie okaże się za mała, można włączyć pompę ciepła w trybie chłodzenia aktywnego. Polega to na tym, że ciepło odbierane od pomieszczeń, zostanie zakumulowane w zasobniku i wykorzystane na początku okresu grzewczego.

Źródło: Viessmann Top Technika
Materiały: Akademia Viessmann