Zespół
prof. dr hab. inż. Bogusław Zakrzewski
dr inż. Wojciech Tuchowski

Istota wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wodna pompa ciepła dostarczająca ciepło, która może pracować w warunkach niskich temperatur wody a nawet w warunkach cyklicznego obladzania się zbiornika wodnego w którym umieszczone są wymienniki ciepła. Nowe rozwiązanie rozszerza zakres zastosowań tych urządzeń a nawet znacząco wydłuża ich czas pracy.

Urządzenie jakim jest wodna pompa ciepła przeznaczone jest do produkcji ciepłej wody użytkowej lub do dostarczania ciepła do ogrzewania. Pobiera ona ciepło z wody (dolnego źródła ciepła) i dostarcza je do górnego źródła ciepła w którym następuje ogrzewanie wody (c.w.u.) lub powietrza (c.o.). Konwencjonalne urządzenia tego typu w okresie niskich temperatur wody (poniżej 4oC) z której odbierane jest ciepło (rzeka, staw, jezioro, basen) przestają sprawnie funkcjonować gdyż oblodzeniu ulega wymiennik ciepła znajdujący się w wodzie. Bardzo często następuje wyłączenie takiego urządzenia i konieczność dostarczania ciepła do odbiorcy zostaje przerwana lub zastąpiona innym urządzeniem.

Opatentowana wodna pompa ciepła pracuje nawet w przypadku zamarzniętego zbiornika wodnego, gdy temperatura wody wynosi poniżej 4oC. Cechuje się przy tym wysoką efektywnością energetyczną, COP ≈ 3,5. Należy przy tym nadmienić że powietrzne i gruntowe pompy ciepła w warunkach niskich temperatur powietrza zewnętrznego, poniżej 0oC, wykazują niższą efektywność energetyczna (powietrzne pompy ciepła - COP = 1,5 - 2, gruntowe pompy ciepła - COP = 2 - 3).

Innowacyjność wynalazku polega na okresowym wykorzystaniu ciepła krzepnięcia wody do zasilania dolnego źródła ciepła pompy ciepła. Urządzenie wyposażone w układ pośredniego przekazywania ciepła. Układ ten składa się ze zasobnika ciepła oraz pewnej liczby wężownic wykonanych np. z pcv. Praca takiego układu w warunkach skrajnie niskich temperatur wody (poniżej 4oC) polega na cyklicznym przełączaniu pracujących wężownic tak aby urządzenie zachowało ciągłość pracy a ciepło było dostarczane nieprzerwanie do odbiorcy końcowego (c.w.u. lub c.o.).

Zasada działania urządzenia:
w okresie niskich temperatur wody (zamarznięty zbiornik wodny) wężownice działają według ściśle określonej kolejności. W pierwszej fazie cieczą niezamarzającą odbierającą ciepło z wody zasilana jest wężownica A1. Następuje obieranie ciepła krzepnięcia wody z równoczesnym tworzeniem się lodu na powierzchni wężownicy. Kiedy wężownica pokryta jest lodem następuje przełączenie i cieczą niezamarzającą (np. glikolem) zasilana jest wężownica A2. Dzięki różnicy temperatur wody i lodu, wężownica A1 ulega stopniowemu uwalnianiu się do lodu. Proces powtarza się dla kolejnych wężownic. I tak jedna wężownica się obladza, a druga i kolejne oczyszczają się z lodu pod wpływem ciepła wody otaczającej oraz pod wpływem siły wyporu. Następuje oderwanie się resztek lodu z powierzchni wężownicy (wymiennika) i samoczynne wypłynięcie lodu na powierzchnię. Wykorzystując kolejne wężownice umieszczone głębiej w zbiorniku wodnym do obierania ciepła krzepnięcia wody nieprzerwanie dostarczamy ciepło dla celów ogrzewania lub ciepłej wody użytkowej.
W okresie średnich i wysokich temperatur wody urządzenie pracuje wykorzystują jedną wężownice gdyż nie występuje proces tworzenia się lodu na powierzchni wymiennika ciepła (wężownicy).

Wodna pompa ciepła według wynalazku może pracować nieprzerwanie cały rok uzyskując wysoką efektywność energetyczną, zwłaszcza w okresie niskich temperatur wody zasilającej dolne źródło ciepła (basen, jezioro, rzeka).

Potencjał komercjalizacji

Podobna wodna pompa ciepła została zbudowana na Wydziale Techniki Morskiej i Transportu. W obecnej chwili istnieje stanowisko badawcze które należy wyposażyć jedynie w układ pośredniego przekazywania ciepła (zasobnik ciepła i wężownice). W tej kwestii Wydział Techniki Morskiej i Transportu nawiązał współpracę z firmą MARSPOL ze Szczecina oraz z firmą POLARTECH ze Szczecina. Obie firmy zainteresowane są wdrożeniem wynalazku i zaoferowały wsparcie zarówno finansowe jak i technologiczne.

Urządzenie wykazuje bardzo duży potencjał wdrożeniowy na który wskazują zarówno przedsiębiorcy jak i naukowcy. W październiku 2015 roku została obroniona z wyróżnieniem praca doktorska W. Tuchowskiego która pośrednio dotyczyła opatentowanej wodnej pompy ciepła.

Obecnie trwają prace mające na celu zbadania możliwości wdrożenia wynalazku w celu ogrzewania i produkcji c.w.u. w dwóch płaszczyznach:
- w budownictwie jednorodzinnym (urządzenie małej mocy)
- w budownictwie komercyjnym (urządzenie dużej mocy)