Pompy ciepła wysokotemperaturowe, czyli w skrócie HTHP to jedno z najszybciej rozwijających się rozwiązań z obszaru efektywności energetycznej, jak i dekarbonizacji systemów grzewczych. Stanowią one przeciwieństwo klasycznych, niskotemperaturowych pomp ciepła, które służą przede wszystkim do ogrzewania, ponieważ są tak zaprojektowane, aby osiągać temperatury zasilania powyżej 80°C, a w najbardziej zaawansowanych systemach nawet ponad 100°C. To pozwala na ich wykorzystanie zarówno w modernizowanych budynkach z tradycyjnymi grzejnikami, jak i w procesach przemysłowych, w ramach których niezbędne jest zastosowanie grzania wysokotemperaturowego.
Czym są wysokotemperaturowe pompy ciepła i jak działają?
HTHP są urządzeniami, które wykorzystują odwrócony obieg termodynamiczny do podnoszenia temperatury energii cieplnej z otoczenia, a konkretnie z powietrza, gruntu, wody, jak i ciepła odpadowego. Zasadniczą różnicą w porównaniu z pompami tradycyjnymi jest ich zdolność do pracy przy znacznie wyższych temperaturach, przy zastosowaniu specjalnych sprężarek, czynników roboczych oraz materiałów odpornych na działanie wysokiego ciśnienia i temperatury. Najczęściej temperatura zasilania tego typu rozwiązań mieści się w przedziale od 70 do 120 stopni C, przy czym zachowana jest możliwość współdziałania z już istniejącą instalacją grzewczą, w tym z grzejnikami. W tego typu urządzeniach stosuje się ponadto naturalne czynniki chłodnicze, m.in. dwutlenek węgla i propan, bądź też syntetyczne, wykazujące wysoką stabilność termiczną. Urządzenia wysokotemperaturowe posiadają przy tym bardzo zaawansowane układy sterowania, umożliwiające optymalizację pracy przy zmiennych obciążeniach.
Zatem, pompa ciepła wysokotemperaturowa jak działa? W przypadku urządzeń High-Temperature Heat Pumps, na ich podstawowy cykl pracy składa się parowanie, sprężanie, skraplanie i rozprężanie czynnika roboczego, a różnica w stosunku do urządzeń niskotemperaturowych to zwiększony stopień sprężania, jak i zastosowanie technologii umożliwiających osiągnięcie wysokich temperatur bez drastycznego obniżenia sprawności. Najczęściej stosuje się tu sprężarki kaskadowe, obiegi dwustopniowe, jak i układy z wtryskiem pary czy rozwiązania oparte o dwutlenek węgla. Współczynnik efektywności przy wysokich temperaturach jest zwykle niższy niż w pompach niskotemperaturowych, jednak nadal zdecydowanie przewyższa sprawność konwencjonalnych kotłów na paliwa kopalne.
Jak zastosować pompy HTHP w budownictwie?
Wysokotemperaturowe pompy ciepła można integrować z dotychczasowymi systemami grzewczymi znajdującymi się np. w modernizowanych budynkach, które pierwotnie zostały zaprojektowane pod kątem pracy kotłów gazowych, olejowych lub węglowych, a to stanowi niewątpliwie jedną z zasadniczych zalet tego rozwiązania. Warto zastosować takie rozwiązanie, ponieważ dzięki pompom wysokotemperaturowym redukuje się emisję dwutlenku węgla, unikając przy tym kosztownej wymiany całej instalacji. Najlepsza wysokotemperaturowa pompa ciepła daje również możliwość zachowania komfortu cieplnego przy niskich temperaturach zewnętrznych oraz pozwala na stopniową transformację energetyczną budynków wielorodzinnych i obiektów użyteczności publicznej. Rozwiązania wysokotemperaturowe są szczególnie polecane do instalacji w obiektach o dużym zużyciu ciepłej wody użytkowej, a więc do hoteli, szpitali czy na baseny.
Czy pompy HTHP można stosować w przemyśle?
Rozwiązania takie, jak wysokotemperaturowa pompa ciepła, odgrywają coraz istotniejszą rolę w przemyśle, ponieważ mogą podnosić temperaturę ciepła odpadowego z procesów technologicznych, które jest następnie ponownie wykorzystywane w produkcji. Ma to najszersze zastosowanie w takich gałęziach, jak przemysł spożywczy, papierniczy, chemiczny, farmaceutyczny, jak również w ramach pracy systemów suszenia i pasteryzacji. Zastosowanie pomp ciepła HTHP w przemyśle umożliwia znaczące obniżenie zużycia gazu ziemnego oraz poprawę efektywności energetycznej zakładów produkcyjnych.
Jakie są zalety pomp wysokotemperaturowych?
Najważniejsze zalety takich rozwiązań to korzyści energetyczne i środowiskowe, ponieważ wpisują się one w strategię elektryfikacji ogrzewania oraz stosowania odnawialnych źródeł energii. Pozwalają na redukcję emisji gazów cieplarnianych, mają przy tym wysoką efektywność w porównaniu z kotłami spalającymi paliwa kopalne oraz możliwość integracji z instalacjami fotowoltaicznymi. Zapewniają przy tym stabilność kosztów eksploatacyjnych w długim okresie. Mogą też pracować w systemach o charakterze hybrydowym, czyli w takich, gdzie pompa ciepła współpracuje z już istniejącym źródłem ciepła w okresach szczytowego zapotrzebowania.
Jakie wyzwania są związane z użytkowaniem pomp HTHP?
Technologia pomp wysokotemperaturowych ma wiele zalet i daje wiele korzyści, jednak wiąże się też z pewnymi wyzwaniami, które wynikają ze stosowania wysokich temperatur. Obciążają one bowiem bardziej komponenty urządzeń, a to wpływa na ich koszt i zwiększa wymagania serwisowe. Najczęściej wymienianymi ograniczeniami są tu wyższe koszty inwestycyjne relatywnie do pomp niskotemperaturowych, konieczność precyzyjnej analizy źródła dolnego oraz zapotrzebowania cieplnego, jak również spadek efektywności przy ekstremalnie wysokich temperaturach zasilania. Zatem systemy grzewcze wykorzystujące rozwiązania jak pompa ciepła powietrze-woda wysokotemperaturowa muszą być odpowiednio zaprojektowane, z uwzględnieniem modernizacji izolacji budynku czy optymalizacji parametrów całej instalacji, po to, aby znacząco poprawić opłacalność inwestycji.
Jak będzie się rozwijać technologia wysokotemperaturowa?
Branża wysokotemperaturowych pomp ciepła rozwija się bardzo dynamicznie i wprowadza coraz to nowe innowacje, a wśród nich przede wszystkim wykorzystanie naturalnych czynników chłodniczych o niskim potencjale GWP, sprężarki wysokociśnieniowe, integracja z magazynami energii i systemami zarządzania popytem, a także zastosowanie w sieciach ciepłowniczych czwartej i piątej generacji. Niewątpliwie zaś wespół z rosnącymi wymaganiami i oczekiwaniami związanymi z neutralnością klimatyczną, prezentowana technologia wysokotemperaturowa może stać się jednym z filarów transformacji energetycznej, w szczególności w przemyśle.
Rozwiązania takie, jak gruntowa pompa ciepła wysokotemperaturowa stanowią zatem swoisty pomost między tradycyjnymi systemami grzewczymi a nowoczesną energetyką, która jest oparta na elektryfikacji i stosowaniu odnawialnych źródeł energii. Przy tym, dzięki zdolności do osiągania wysokich temperatur zasilania, systemy oparte o wysokie temperatury umożliwiają modernizację istniejących budynków bez konieczności całkowitej przebudowy instalacji grzewczej. Otwierają także nowe możliwości w wielu gałęziach przemysłu, w których odzysk ciepła odpadowego i redukcja emisji stanowią priorytet. Rozwój urządzeń wysokotemperaturowych wskazuje z pewnością kierunek rozwoju ogrzewnictwa, które ma być bardziej efektywne, elastyczne, a przy tym zintegrowane z systemami energetycznymi o niskim śladzie węglowym.