Pompy ciepła w przemyśle – jak działają i gdzie się sprawdzają?

Pompa ciepła to urządzenie grzewcze, które wykorzystuje energię cieplną z otoczenia - z powietrza, wody, gruntu lub ciepła odpadowego - i przekazuje ją do wybranego medium, najczęściej do wody lub powietrza, które trafia do instalacji grzewczej lub technologicznej. Proces zachodzi dzięki obiegowi termodynamicznemu z udziałem czynnika grzewczego i sprężarki. W uproszczeniu pompa ciepła „pompuje” parametry ciepła zwiększając parametry użytkowe ciepła niskotemperaturowego.

W zastosowaniach przemysłowych dominują pompy ciepła typu woda-woda oraz powietrze-woda, w tym jednostki wysokotemperaturowe, które osiągają temperatury medium powyżej 100°C - wystarczające do wielu procesów technologicznych. Technologia ta pozwala nie tylko na ogrzewanie, ale również na chłodzenie, wykorzystując różne źródła ciepła (np. odzysk ciepła w procesie technologicznym), co czyni ją elastycznym rozwiązaniem dla zakładów produkcyjnych.

Pompy ciepła w przemyśle mogą pełnić wiele funkcji - od ogrzewania pomieszczeń produkcyjnych, magazynowych i biurowych, przez podgrzewanie wody użytkowej lub technologicznej, produkcje niskoparametrowej pary, aż po zastosowanie w systemach klimatyzacji i chłodzenia. Coraz częściej stosuje się je również do odzysku ciepła odpadowego z procesów przemysłowych.

Zasada działania polega na pięciu podstawowych etapach:

• poborze ciepła z dolnego źródła (czyli źródła, z którego pompa pobiera energię cieplną),
• sprężeniu czynnika ziębniczego (z pomocą energii elektrycznej),
• rozprężeniu czynnika ziębniczego,
• przekazaniu ciepła do górnego źródła (np. instalacji grzewczej, czyli odbiornika wytworzonej energii),
• kondensacji czynnika - często z użyciem dolnego źródła i jego ponownym użyciu.

Cały cykl może pracować w sposób ciągły. Efektywność pracy pompy ciepła wyraża się współczynnikiem COP – im wyższa jego wartość, tym mniej energii elektrycznej trzeba dostarczyć, aby uzyskać określoną ilość energii cieplnej.

Pompy ciepła znajdują szerokie zastosowanie w różnych obszarach przemysłu - od ogrzewania i chłodzenia budynków produkcyjnych, przez przygotowanie ciepłej wody użytkowej, po zasilanie procesów technologicznych wymagających określonych temperatur. Sprawdzają się zarówno w nowych inwestycjach, jak i w modernizowanych zakładach, gdzie mogą zastępować lub wspierać tradycyjne źródła ciepła.

Pompy ciepła znajdują zastosowanie w wielu sektorach przemysłowych. W przemyśle spożywczym wykorzystuje się je do podgrzewania wody technologicznej, odzysku ciepła z instalacji chłodniczych oraz wspierania systemów mycia CIP (Clean-in-place). W browarach, mleczarniach czy zakładach przetwórstwa owocowo-warzywnego ich użycie prowadzi do znaczących oszczędności energetycznych.

W przemyśle chemicznym i farmaceutycznym pompy ciepła zapewniają stabilność temperaturową mediów i wspierają systemy HVAC w utrzymaniu warunków produkcji. Ich zaletą jest czysta praca i możliwość dokładnego sterowania temperaturą, co w tych branżach ma kluczowe znaczenie.

W zakładach papierniczych i drzewnych pompy ciepła wspomagają procesy suszenia drewna, ogrzewania hal oraz odzyskują energię z wentylatorów i suszarek. Z kolei w przemyśle motoryzacyjnym oraz maszynowym wykorzystuje się je do odzysku ciepła odpadowego z urządzeń technologicznych, a także do podgrzewania cieczy i powietrza w myjniach przemysłowych.

W sektorze tekstylnym technologia ta wspiera procesy suszenia, kondycjonowania powietrza oraz podgrzewania kąpieli technologicznych. Dodatkowo, w każdej z tych branż pompy ciepła mogą wspierać systemy grzewcze biur i pomieszczeń socjalnych.

Do głównych zalet przemysłowych pomp ciepła należy przede wszystkim wysoka efektywność energetyczna. Współczynniki COP na poziomie 3,5-4,5 oznaczają, że z każdej jednostki energii elektrycznej można uzyskać kilka jednostek energii cieplnej. Przekłada się to bezpośrednio na redukcję kosztów operacyjnych zakładów - zwłaszcza przy wykorzystaniu pomp ciepła do odzysku ciepła odpadowego lub w połączeniu z fotowoltaiką. W dłuższej perspektywie pozwala to ograniczyć zużycie gazu ziemnego lub oleju opałowego.

Pompy ciepła przyczyniają się także do redukcji emisji CO₂. Ich zastosowanie wspiera realizację celów klimatycznych przedsiębiorstw, szczególnie w zakresie elektryfikacji źródeł ciepła, poprawia wynik raportów ESG oraz może stanowić argument w rozmowach z kontrahentami czy inwestorami. Warto również podkreślić ich uniwersalność - pompy można integrować z systemami zarządzania energią, magazynami energii i innymi źródłami ciepła, co czyni je atrakcyjnym elementem strategii transformacji energetycznej zakładów przemysłowych.

Jednym z głównych wyzwań związanych z instalacją pomp ciepła są wysokie koszty inwestycyjne, szczególnie w przypadku urządzeń o dużych mocach lub pracujących w wysokim zakresie temperatur. Wdrożenie przemysłowego systemu pomp ciepła często wiąże się z koniecznością modernizacji istniejących instalacji oraz dostosowania infrastruktury technicznej.

Kolejnym ograniczeniem może być spadek efektywności pomp ciepła powietrze-woda w niskich temperaturach otoczenia, co ma znaczenie w sezonie zimowym. W takich przypadkach zaleca się stosowanie pomp gruntowych lub układów hybrydowych. Istotne jest również odpowiednie zaprojektowanie systemu - nieprawidłowe dobranie mocy pompy, brak analizy profilu zużycia energii czy niedoszacowanie zapotrzebowania mogą znacząco obniżyć opłacalność inwestycji.

Pompy ciepła nie zawsze osiągają temperatury wystarczające do najbardziej wymagających procesów technologicznych - w takich przypadkach konieczne może być zastosowanie systemów wspomagających, np. kotłów lub palników gazowych do dogrzewania.

Jednym z najbardziej opłacalnych zastosowań pomp ciepła w przemyśle jest ich wykorzystanie do odzysku ciepła odpadowego. W wielu zakładach przemysłowych znaczna część energii tracona jest w postaci ciepła o niskiej temperaturze, które nie nadaje się do bezpośredniego ponownego użycia. Dzięki pompie ciepła możliwe jest podniesienie temperatury tego ciepła do poziomu użytkowego i skierowanie go z powrotem do obiegu.

Odzysk może dotyczyć m.in. powietrza wentylacyjnego, wody poprocesowej, kondensatu pary, skroplin z instalacji chłodniczych czy ciepła pochodzącego z pracy sprężarek powietrza. Dzięki takiemu podejściu zakład ogranicza straty energii i poprawia bilans energetyczny, co bezpośrednio przekłada się na niższe koszty produkcji. Jest to też źródło o zdecydowanie mniejszym wpływie temperatur zewnętrznych, co pozwala sprawnie stosować pompy ciepła przez cały rok.

Pompy ciepła to nowoczesne i wszechstronne rozwiązanie w obszarze przemysłowej efektywności energetycznej. Wykorzystanie ich w zakładach produkcyjnych pozwala nie tylko na redukcję kosztów operacyjnych, ale również na poprawę wskaźników środowiskowych i uniezależnienie się od wahań cen paliw kopalnych. Największy potencjał tej technologii leży w odzysku ciepła odpadowego, integracji z odnawialnymi źródłami energii oraz w zastosowaniach wymagających jednoczesnego chłodzenia i ogrzewania. Wymaga to jednak przemyślanego projektu i dostosowania systemu do specyfiki danego zakładu.