W gospodarce kraju sektor przemysłowy odgrywa ważną rolę w popycie na energię finalną, ale i emisję CO₂. Zapotrzebowanie przemysłu w około trzech czwartych przypada na ciepło, stąd też pompy ciepła mogą poprawić efektywność wykorzystania energii i redukcję emisji CO₂.Jest to szczególnie ważne teraz, gdy Polska jest zobowiązana do zmniejszenia emisji CO₂.

Istnieje dużo typów pomp ciepła. Główna uwaga zostanie skupiona na sprężarkowych pompach ciepła wykorzystujących mechaniczną kompresję czynników roboczych w obiegu zamkniętym. W artykule przedstawiono możliwości technologiczne i kierunek ich rozwoju.

Dostępność technologii i komponentów pozwala budować urządzenia w szerokim zakresie wydajności i dla różnych aplikacji. Dostępne dziś urządzenia, jak i elementy automatyki, pozwalają swobodnie budować pompy osiągające temperaturę do 80°C – pracując na źródłach ciepła o temperaturze od -10°C do +40°C. Osiągane wtedy COPh waha się między 2,5 a 5,8. Prowadzone badania i rozwój technologii sprawia, że w niedalekiej przyszłości możliwe będzie uzyskanie temperatury użytkowej nawet do 160°C.

Rys. 1. Typy pomp ciepła (Ranade 1989, prace własne)

Około 14% zapotrzebowania na ciepło w przemyśle przypada na temperatury do 80°C, co z powodzeniem może być realizowane przy pomocy aktualnie dostępnych rozwiązań. W momencie rozwoju pomp ciepła z temperaturą użytkową 160°C, ich udział może wrosnąć nawet do 32%. Mimo tego, że już dzisiaj możemy w znaczący sposób wykorzystywać pompy ciepła przy produkcji ciepła, to jednak aplikacje przemysłowe są dość rzadkie. Wydaje się, że główną barierą jest niedostateczna wiedza o możliwościach wykorzystania pomp ciepła w przemyśle.

Gdy mówimy o chłodnictwie, sposób jego podziału i klasyfi kowania jest prosty i ogólnie znany. Mimo, że pompy ciepła z racji swojej budowy istnieją równie długo jak sprężarkowe instalacje chłodnicze, wydaje się, że nie doczekały się systematycznego podziału.

Autor uważa, że analogicznie do instalacji chłodniczych pompy ciepła można klasyfikować wg osiąganej temperatury. Proponuje się następujący podział:

•  pompy niskotemperaturowe: Tużytkowa = ±35°C;
•  pompy średniotemperaturowe: Tużytkowa ≤ ±85°C;
•  pompy wysokotemperaturowe: Tużytkowa > +85°C.

Podobnie jak w chłodnictwie – technologia jest wynikową. 

Rys. 2. Lambauer 2012, IER

Elementem, który wynika bezpośrednio z wymaganej temperatury jest stosowany czynnik chłodniczy. Kryteria, które powinien spełniać czynnik roboczy dla przemysłowej pompy ciepła to:

• wysoka temperatura krytyczna,
• niskie ciśnienia pracy,
• zerowy współczynnik ODP;
• pożądane są także niskie współczynniki. GWP, nie palność i brak toksyczności.

W tabeli 1. porównano czynniki wg osiąganych wartości temperatury. Z przedstawionego w niej zestawienia, a także specyfiki czynników wynika, że:

• R134a, (R407C, R410A) nadaje się do aplikacji w których wymagane jest ciepło w temperaturze Tużytkowa maks.≤ 85°C;
• R600a do aplikacji małych i bardzo małych;
• R1336mzz-Z (R245fa) do aplikacji, w których wymagane jest ciepło w temperaturze Tużytkowa.maks.≤ 160°C (140°C);
• R717 (amoniak) dla dużych i bardzo dużych aplikacji Tużytkowa min.≥ 80°C, Tużytkowa maks.=110°C;
• R744 (CO2) do aplikacji w których potrzeba jest ogrzać medium z niskiej temperatury do wysokiej, Tużytkowa maks.=130°C.

R1336mzz-Z czynnik przyszłości

Szczególnie duże oczekiwania są wobec czynnika R1336mzz-Z (w fazie testów oznaczany DR-2, teraz HFO-Z-1336mzz-Z), który ma w zamyśle zastąpić czynnik R245fa.

Wykres na rysunku 3. obrazuje zakres ciśnień i temperatur skraplania. Przyjmując za limit ciśnienie 2,5 Mpa możemy zaprojektować system o temperaturze skraplania na poziomie około 160°C. Z kolei sprawność układów przedstawiona została na kolejnym wykresie (rys. 4.). Dla przykładu pompa ciepła pracująca na cieple ze skraplania z instalacji chłodniczej osiągająca temperaturę 70°C uzyska COPh≈ 6,2. Na rysunku 5. można zobaczyć kolejne własności termofi zyczne czynnika. Widoczne jest dosyć mocne nachylenie linii nasycenia w prawo, co będzie skutkowało koniecznością uzyskiwania znaczącego przegrzania.

Rys. 3. Ciśnienie pary nasyconej R134a, R245fa, R1336mzz-Z (DR-2) [Kontomaris, 2013]

Przedstawione własności czynnika świadczą o dużym potencjale w zastosowaniu do wysokotemperaturowych pomp ciepła. Muszą one jedynie zostać potwierdzone przez niezależne ośrodki badawczo-rozwojowe.

Dwutlenek węgla R744

(...)

Jaka jest przyszłość?

Aktualne ścieżki rozwoju to ciągłe zwiększanie osiąganej temperatury oraz zastosowanie w nowych branżach – jak przytoczono wyżej najlepiej w skojarzeniu z chłodzeniem.

Prowadzone są prace badawczo-rozwojowe nad wykorzystaniem pomp ciepła w nowych przestrzeniach. Przykładem może być budynek biurowy w Hamburgu (podobne także istnieją w Polsce), w którym źródłem ciepła dla pompy ciepła jest układ odzysku ciepła z serwerowni. Temperatura źródła ciepła mieści się w zakresie +16 ÷ +6°C. Ciepło użytkowe dostarczane jest w temperaturze +35 ÷ +45°C. 

Instalacja została wykonana na dobrze poznanym czynniku roboczym R134a. Zintegrowana efektywność energetyczna takiego rozwiązania średnio w okresie użytkowania wynosi 7,7 (rys. 7). Instalacja pracuje od 2011 r.

Rys. 7. Zintegrowana efektywność energetyczna w okresie użytkowania dla budynku biurowego

Energia we wszystkich strefach działalności jest coraz lepiej wykorzystywana – to jest ekologiczne i to się opłaca. Prowadzone są intensywne prace nad odzyskiwaniem energii w wielu branżach, przekształcaniu jej w formę zdatną do dalszego wykorzystania i przekazania do miejsca, gdzie jest potrzebna. Autor uważa, że już niedługo to co znajdziemy w maszynowniach równie dobrze będzie można nazwać instalacją chłodniczą jak pompą ciepła. Można sobie wyobrazić sytuację gdy energia (cieplna, elektryczna, paliwo) będzie zużywana tylko na jeden proces w fabryce, a wszystkie kolejne procesy będą zasilane z jej przekształceń. Łącznie z energią elektryczną – ORC.

mgr inż. Maurycy SZWAJKAJZER
właściciel Enreco
Sp. z o.o. sp. komandytowa

mgr inż. Paweł RACHWAŁ
właściciel Enreco
Sp. z o.o. sp. komandytowa