Trwają prace nad przygotowaniem innowacyjnej konstrukcji domowego zasobnika ciepłej wody. Badania dotyczące prototypu urządzenia prowadzi zespół naukowców z Wydziału Mechanicznego Politechniki Koszalińskiej.

„Warstwowy zasobnik wody ciepłej z PCM” – tak brzmi nazwa projektu aplikacyjnego - ma być rozwiązaniem pozwalającym bardziej racjonalnie gospodarować ciepłem. Realizacja projektu rozpoczęła się 1 września 2020 r. i potrwa do 31 sierpnia 2023 roku. Liderem zadania jest gdańska firma Profi Systems Technology Sp. z o.o., a w skład konsorcjum – oprócz Politechniki Koszalińskiej – wszedł także Instytut Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego PAN w Gdańsku.

Pracami z ramienia Politechniki Koszalińskiej kieruje dr hab. inż. Krzysztof Dutkowski, prof. PK z Katedry Energetyki Wydziału Mechanicznego. W skład zespołu weszli także inni pracownicy tej katedry: dr hab. inż. Małgorzata Sikora, prof. PK, dr inż. Marcin Kruzel, mgr inż. Jacek Fiuk oraz pracownik laboratorium mgr inż. Andrzej Janczak.

Materiał, który pomoże w oszczędzaniu ciepła

Celem projektu badawczego jest przygotowanie innowacyjnej konstrukcji domowego zasobnika ciepłej wody o pojemności 200 litrów. Na czym polega istota opracowywanego rozwiązania? Zasobnik, w pewnej części objętości będzie posiadał wypełnienie w postaci kulek o średnicy kilku centymetrów. W każdej z kulek zostanie umieszczony tzw. materiał zmiennofazowy (ang. phase change material – PCM).

I właśnie wykorzystanie PCM ma kluczowe znaczenie w pracach nad konstrukcją zasobnika. Podczas doprowadzania ciepła materiał PCM – po osiągnięciu właściwej temperatury – ulega przemianie fazowej, czyli topi się. Gdy temperatura otoczenia materiału zmiennofazowego (np. wody w zasobniku) spadnie poniżej określonej temperatury, wówczas PCM zaczyna przemianę odwrotną (krystalizuje) oddając pobrane wcześniej ciepło.

Wykorzystanie materiału PCM jako dodatkowego elementu zasobnika ciepłej wody umożliwia gromadzenie, a następnie oddawanie ciepła przepływającemu medium w ilości większej, niż jest to w stanie zrobić woda (oczywiście, przy założeniu, że porównuje się taką samą ilość substancji). Dodatkowo wykorzystanie materiału PCM w zasobniku skutkuje tym, że temperatura końcowa medium może być niższa, mimo magazynowania porównywalnych, a nawet większych ilości doprowadzonego ciepła. Wszystko to pozwoli akumulować więcej ciepła w tej samej objętości i – w rezultacie – ograniczy straty ciepła do otoczenia.

Procedury testowe są w trakcie

Realizacja zadania została podzielona na kilka części. Pierwszą z nich, obejmującą opracowanie projektu zasobnika ciepłej wody z PCM oraz wykonanie prototypu urządzenia, zajął się zespół specjalistów z Instytutu Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku.

Wykonanie drugiej części zostało powierzone Politechnice Koszalińskiej. Prace na naszej uczelni rozpoczęły się 1 lipca 2021 r. Pierwszy etap obejmował opracowanie projektu, a także zbudowanie stanowiska badawczego umożliwiającego przeprowadzenie badań prototypowych zasobników ciepła. Zespół badaczy zaprojektował, wybudował i przetestował z pozytywnym skutkiem prototypowe stanowisko umożliwiające przeprowadzenie badania efektywności magazynowania energii cieplnej w zasobnikach posiadających wypełnienie materiałem PCM.

Kolejny etap prac, których wykonawcą jest zespół naukowców z Politechniki Koszalińskiej, obejmuje przeprowadzenie badań prototypowych konstrukcji zasobników ciepła za pomocą zbudowanego stanowiska. Prace rozpoczęły się w kwietniu 2022 r. i potrwają do końca grudnia br. Etap obejmuje przeprowadzenie badań prototypowych konstrukcji zasobników ciepła według kilku procedur opisanych w polskiej normie.

Podstawą do budowy stanowiska badawczego oraz prowadzenia badań prototypowych konstrukcji zasobników ciepła z PCM, który z założenia posiada możliwość współpracy z instalacją słoneczną, była norma PN-EN 12977-3:2018-05 „Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy – systemy wykonywane na zamówienie – Część 3: Metody badania wydajności zbiorników wodnych magazynujących ciepło słoneczne”. – Trwają intensywne procedury testowe, które mają na celu wykazanie, czy pomysł wykorzystania PCM do magazynowania ciepła oraz zaproponowane przez Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku rozwiązania konstrukcyjne zasobnika ciepła potwierdzają przyjęte na etapie składania wniosku założenia - podkreśla kierownik, projektu dr hab. inż. Krzysztof Dutkowski, prof. PK.

Testy pokażą, czy udało się osiągnąć cele projektu: możliwość akumulowania większych ilości energii cieplnej oraz wydłużenie czasu magazynowania ciepłej wody w zasobniku o standardowej pojemności 200 litrów.

Zasobnik trafi do produkcji

Całkowity koszt realizacji projektu to 4,2 mln złotych, z czego dofinansowanie ze strony Narodowego Centrum Badań i Rozwoju wynosi 3,2 mln złotych. Politechnika Koszalińska została objęta wsparciem finansowym na poziomie 0,5 mln złotych. Część tej kwoty przeznaczona została na budowę stanowiska badawczego. – Pomimo dynamicznej sytuacji cenowej na rynku materiałów hydraulicznych, urządzeń przepływowych czy aparatury pomiarowej, nie przekroczyliśmy zaplanowanych kwot – podkreśla prof. Krzysztof Dutkowski. – Tak więc, także od strony wydatków, projekt jest realizowany zgodnie z harmonogramem. Ostatnią częścią projektu będzie wdrożenie opracowanej konstrukcji do produkcji.

– Zakładamy, że niedługo po zakończeniu realizacji projektu będzie można kupić innowacyjny zasobnik ciepłej wody produkowany przez lidera naszego konsorcjum – dodaje prof. Krzysztof Dutkowski. – Wykorzystanie promieniowania słonecznego do wytwarzania energii cieplnej oraz PCM do magazynowania nadwyżki ciepła, w ostatecznym rozrachunku z pewnością obniży koszty przygotowania ciepłej wody użytkowej, ale też usprawni system centralnego ogrzewania domów.

fot. Adam Paczkowski / Politechnika Koszalińska

Pracami z ramienia Politechniki Koszalińskiej kieruje dr hab. inż. Krzysztof Dutkowski, prof. PK.