Życie w klimacie umiarkowanym ma swoje zalety. Wadą jest, że na naszej szerokości geograficznej przez większość roku musimy martwić się o ogrzewanie. Domowe ciepło to zarazem jedna z głównych potrzeb energetycznych oraz jedno z głównych źródeł emisji gazów cieplarnianych. Dlatego jedną z technologii, w której pokłada się duże nadzieje, są pompy ciepła – urządzenia znane przede wszystkim właścicielom domków jednorodzinnych.

Pompy ciepła występują w wielu odmianach, ale podstawowa zasada działania jest zawsze taka sama. Urządzenie to pobiera energię w postaci ciepła z otoczenia – powietrza, wody lub gruntu – a następnie oddaje ją domowemu systemowi ogrzewania. Modyfikacja, jakiej dokonali naukowcy z Katedry Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego Wydziału Mechaniki Morskiej i Transportu Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, dotyczy wodnych pomp ciepła.

– Każda pompa ciepła tego typu zawiera zanurzony w zbiorniku z wodą wymiennik ciepła zwany parowaczem. Problem polega na tym, że urządzenia te podczas pracy w okresie zimowym narażone są na niebezpieczeństwo tworzenia się lodu na powierzchni parowacza, co uniemożliwia urządzeniu działanie przez pewien czas. Postanowiliśmy rozwiązać ten problem – tłumaczy dr inż. Wojciech Tuchowski, który pracował nad wynalazkiem pod opieką szefa katedry prof. Bogusława Zakrzewskiego.

Naukowcy zdecydowali się na najprostsze rozwiązanie, a mianowicie postanowili dołożyć w zbiorniku z wodą jeszcze jeden wymiennik ciepła. To jednak wymagało „zestrojenia” całego urządzenia na nowo – aby proces odladzania odbywał się automatycznie, pompa ciepła musi sama wiedzieć, że jeden z wymienników ciepła pokrył się lodem, i włączyć do pracy drugi wymiennik. Cały sekret tkwi więc w konstrukcji, systemie sterowania pracą pompy ciepła oraz odpowiednim doborze parametrów, z jakimi pracuje czynnik chłodniczy służący do pobierania i oddawania ciepła, przepływający wewnątrz instalacji.

– Obladzanie wymiennika ciepła to nie tylko uciążliwe zjawisko, lecz również w pewnym sensie konieczność, bowiem woda, zmieniając stan skupienia z ciekłego na stały, wydziela najwięcej energii w postaci ciepła, i to jest właśnie ta energia, na której nam najbardziej zależy. W związku z tym nie możemy od tego uciec, pytanie tylko brzmi, jak możemy wykorzystać to zjawisko – mówi dr Tuchowski.

Naukowcy, wyposażeni w dwa wymienniki ciepła wykonane ze stopu magnezu i aluminium, a dostarczone przez szczecińską firmę Marspol, która zajmuje się dystrybucją i montażem m.in. pomp ciepła, zabrali się do roboty. Wewnątrz wymienników wydrążone są małe kanaliki, którymi przepływa czynnik chłodniczy. Ponieważ temperatura wrzenia każdej cieczy jest ściśle związana z jej ciśnieniem, cały układ został tak skalibrowany, żeby czynnik chłodniczy wrzał dokładnie w takiej temperaturze, w której woda zamienia się w lód. W ten sposób moment, w którym woda oddaje najwięcej energii, został powiązany z momentem, w którym czynnik chłodniczy jest w stanie najwięcej tej energii pobrać.

Gwałtownie odparowujący czynnik chłodniczy przemieszcza się wewnątrz układu do kolejnego wymiennika, w którym będzie oddawał ciepło wodzie już wewnątrz domu, jaka ostatecznie zasili krany i grzejniki. Jednocześnie mamy do czynienia z tworzeniem się warstwy lodu na powierzchni wymiennika ciepła zanurzonego w wodzie. Aparatura sterująca rozpoznaje ten moment i wtedy automatycznie przełącza obieg czynnika chłodniczego z jednego wymiennika na drugi. Po przełączeniu ciekły czynnik chłodniczy z wymiennika, w którym oddał ciepło – skraplacza – kierowany jest do oblodzonego wymiennika ciepła. Tam dochładza się do temperatury wody w zbiorniku, powodując uwalnianie się wymiennika od lodu. W ten sposób warstwa lodu, jaka zebrała się na powierzchni pierwszego wymiennika, odpadnie – na mocy praw rządzących rozkładem gęstości lód sam wypłynie na powierzchnię, ponieważ jego gęstość jest mniejsza niż otaczającej go wody. W międzyczasie oblodzeniu ulegnie drugi wymiennik ciepła, który przejął funkcję parowacza, co również zostanie odnotowane przez aparaturę monitorującą parametry czynnika chłodniczego. Automatyka przełączy wtedy obieg czynnika z powrotem na pierwszy wymiennik – proces, który będzie się sam powtarzał, dopóki na zewnątrz będą panować niskie temperatury.

Praca nad wynalazkiem trwała od 2011 r. i pochłonęła ok. 90 tys. zł, z czego 40 tys. wyniosły koszty zakupu samej aparatury pomiarowej. Niemniej jednak naukowcy już teraz mogą się pochwalić, że rozwiązaniem zainteresowana jest szczecińska firma Marspol, która będzie chciała wdrożyć je w oferowanych przez siebie produktach.

Chociaż dostępne na rynku pompy ciepła nie należą do najtańszych urządzeń do ogrzewania, to mają niezaprzeczalne zalety. Przede wszystkim charakteryzuje je wysoka efektywność energetyczna COP (z ang. coefficient of performance) – czasami dochodząca do 4, co oznacza, że z każdego kW energii elektrycznej pobranej przez urządzenie użytkownik otrzymuje 4 kW ciepła użytecznego (wydajność urządzeń opartych na spalaniu może dochodzić do 90 proc.). Według Europejskiego Stowarzyszenia Pomp Ciepła (EHPA, European Heat Pump Association) już stosowane urządzenia tego typu na terenie UE rocznie zmniejszają emisję dwutlenku węgla do atmosfery o 9,16 mln ton. Z kolei zdaniem Międzynarodowej Agencji Energii (IEA, International Energy Agency) pompy ciepła pozwoliłyby zaoszczędzić 50 proc. emisji generowanych przez sektor budowlany i ok. 5 proc. generowanych przez przemysł. Razem przełożyłoby się to na 1,8 mld ton dwutlenku węgla w atmosferze mniej.