Підвищення енергоефективності промислових систем теплопостачання шляхом використання теплових насосів

Максим Ткаченко
Отримано 22.05.2025, Доопрацьовано 30.10.2025, Прийнято 24.12.2025, Опубліковано 28.12.2025
Анотація

Мета дослідження полягала в обґрунтуванні розрахункового підходу до підвищення енергоефективності промислових систем теплопостачання через інтеграцію теплових насосів у контури використання низькопотенційної та скидної теплоти. У результаті сформовано розрахункову рамку, що об’єднує джерело скидної теплоти, теплообмінник, тепловий насос, промислового споживача та резервне джерело в енергетичний баланс за показниками теплового навантаження, електроспоживання, залишкового навантаження, частки заміщення та скорочення енергоспоживання. Систематизація джерел скидної теплоти показала, що вищу розрахункову придатність для теплонасосної інтеграції мають потоки з регулярним надходженням і технічною можливістю теплообміну, зокрема оборотна вода, охолоджувальні контури, холодильні машини та компресорні установки. Сценарне моделювання за однакового корисного теплового навантаження 1000 МВт·год встановило зростання теплонасосного покриття від 250 МВт·год у другому сценарії до 700 МВт·год у п’ятому сценарії, що відповідало збільшенню частки заміщення від 0,25 до 0,7. Сумарне енергоспоживання зменшилося з 1000 МВт·год у базовій схемі до 809,5 МВт·год у другому сценарії, 705,3 МВт·год у третьому сценарії, 646,4 МВт·год у четвертому сценарії та 500 МВт·год у п’ятому сценарії. Відносне скорочення енергоспоживання зросло від 19% у сценарії попереднього підігріву до 50% у комбінованій схемі з тепловим насосом, резервним джерелом і тепловим акумулюванням. Встановлено, що збільшення теплової енергії від теплового насоса не забезпечує пропорційного ефекту без урахування температурного напору: у четвертому сценарії за коефіцієнта продуктивності 2,8 електроспоживання становило 196,4 МВт·год, тоді як у п’ятому сценарії за коефіцієнта продуктивності 3,5, залишкового навантаження 300 МВт·год і частки заміщення 0,7 отримано найнижче сумарне енергоспоживання модернізованої схеми. Практична значимість полягає у використанні розрахункової рамки для попереднього інженерного оцінювання промислових теплонасосних схем

Ключові слова:
температурний напір; резервне джерело; коефіцієнт продуктивності; охолоджувальні контури; компресорні установки; холодильні машини

Взято з Том 23, № 2, 2025

Сторінки 144–161

Використані джерела ЦИТУВАТИ
  1. Adamo, A., Martín, H., de la Hoz, J., & Rubio, J. (2025). A review of worldwide strategies for promoting high-temperature heat pumps. Applied Sciences, 15(2), article number 839. doi: 10.3390/app15020839.
  2. Agalave, G.B., & Kulkarni, P. (2026). Thermal evaluation of an integrated heat pump and thermal storage system with alternative refrigerant R290 for heating applications. Frontiers in Energy Research, 13, article number 1694504. doi: 10.3389/fenrg.2025.1694504.
  3. Aguilera, J.J., Meesenburg, W., Markussen, W.B., Zühlsdorf, B., & Elmegaard, B. (2024). Real-time monitoring and optimization of a large-scale heat pump prone to fouling – Towards a digital twin framework. Applied Energy, 365, article number 123274. doi: 10.1016/j.apenergy.2024.123274.
  4. Bellos, E. (2025). Feasibility analysis of industrial high-temperature heat pumps. Applied Sciences, 15(9), article number 5171. doi: 10.3390/app15095171.
  5. Bever, P.-M., Bless, F., Arpagaus, C., & Bertsch, S. S. (2024). High-temperature heat pumps for industrial use. Chemie Ingenieur Technik, 96, 1071-1084. doi: 10.1002/cite.202300241.
  6. Bobbo, S., Lombardo, G., Menegazzo, D., Vallese, L., & Fedele, L. (2024). A technological update on heat pumps for industrial applications. Energies, 17(19), article number 4942. doi: 10.3390/en17194942.
  7. Chen, J., Guo, C., Feng, C., Qu, X., Tan, S., & Jiang, Y. (2025). Research of CO₂ high temperature heat pump for industrial steam generation with data center heat source. International Journal of Refrigeration, 173, 185-200. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2025.02.014.
  8. Considine, B., Coughlan, P., McNabola, A., & Gill, L. (2025). Resource monitoring and heat recovery in a wastewater treatment plant: Industrial decarbonisation of the food and beverage processing sector. Water, 17(23), article number 3419. doi: 10.3390/w17233419.
  9. Derii V.O., Sokolovska I.S., & Teslenko. (2021). Prospects for using heat pumps in district heating systems around the world and Ukraine. System Research in Energy, 3(66), 43-52. doi: 10.15407/pge2021.03.043.
  10. Dokl, M., Kravanja, Z., & Čuček, L. (2022). Techno-economic optimization of a low-temperature district heating system with industrial waste heat and renewable energy sources. Frontiers in Sustainability, 3, article number 889258. doi: 10.3389/frsus.2022.889258.
  11. El Samad, T., Żabnieńska-Góra, A., Jouhara, H., & Sayma, A.I. (2024). A review of compressors for high temperature heat pumps. Thermal Science and Engineering Progress, 51, article number 102603. doi: 10.1016/j.tsep.2024.102603.
  12. EN 14511-1:2022 “Air Conditioners, Liquid Chilling Packages and Heat Pumps for Space Heating and Cooling and Process Chillers, with Electrically Driven Compressors – Part 1: Terms and Definitions”. (2022). Retrieved from https://standards.iteh.ai/catalog/standards/cen/93a37503-c91b-49dc-ad23-82ec9715acf1/en-14511-1-2022.
  13. EN 14511-3:2022 “Air Conditioners, Liquid Chilling Packages and Heat Pumps for Space Heating and Cooling and Process Chillers, with Electrically Driven Compressors – Part 3: Test Methods”. (2022). Retrieved from https://standards.iteh.ai/catalog/standards/cen/f5156125-6568-4445-8b5d-74a2d3919786/en-14511-3-2022.
  14. EN 14825:2022 “Air Conditioners, Liquid Chilling Packages and Heat Pumps, with Electrically Driven Compressors, for Space Heating and Cooling, Commercial and Process Cooling – Testing and Rating at Part Load Conditions and Calculation of Seasonal Performance”. (2022). Retrieved from https://standards.iteh.ai/catalog/standards/cen/9fcc3835-2b65-478e-920e-3f3bacb6d2c5/en-14825-2022.
  15. International Energy Agency. (2022). The future of heat pumps. Retrieved from https://www.iea.org/reports/the-future-of-heat-pumps.
  16. ISO 50001:2018 “Energy Management Systems – Requirements with Guidance for Use”. (2018). Retrieved from https://www.iso.org/standard/69426.html.
  17. Jeßberger, J., Arpagaus, C., Heberle, F., Brendel, L.P., Bertsch, S.S., & Brüggemann, D. (2024). Experimental investigations of upscaling effects of high-temperature heat pumps with R1233zd(E). International Journal of Refrigeration, 164, 243-256. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2024.04.023.
  18. Jiang, J., Hu, B., Wang, R. Z., Deng, N., Cao, F., & Wang, C.-C. (2022). A review and perspective on industry high-temperature heat pumps. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 161, article number 112106. doi: 10.1016/j.rser.2022.112106.
  19. Jouhara, H., Żabnieńska-Góra, A., Delpech, B., Olabi, V., Ghazal, A., & Sayma, A. I. (2024). High-temperature heat pumps: Fundamentals, modelling approaches and applications. Energy, 307, article number 132601. doi: 10.1016/j.energy.2024.132601.
  20. Jovet, Y., Lefèvre, F., Laurent, A., & Clausse, M. (2022). Combined energetic, economic and climate change assessment of heat pumps for industrial waste heat recovery. Applied Energy, 313, article number 118854. doi: 10.1016/j.apenergy.2022.118854.
  21. Ma, D., Sun, Y., Ma, S., Li, G., Zhou, Z., & Ma, H. (2024). Study on the working medium of high temperature heat pump suitable for industrial waste heat recovery. Applied Thermal Engineering, 236, article number 121642. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2023.121642.
  22. Marina, A., Spoelstra, S., Zondag, H.A., & Wemmers, A.K. (2021). An estimation of the European industrial heat pump market potential. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 139, article number 110545. doi: 10.1016/j.rser.2020.110545.
  23. Maruf, M.N., Morales-España, G., Sijm, J., Helistö, N., & Kiviluoma, J. (2022). Classification, potential role, and modeling of power-to-heat and thermal energy storage in energy systems: A review. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 53, article number 102553. doi: 10.1016/j.seta.2022.102553.
  24. Obika, E., Heberle, F., & Brüggemann, D. (2025). From organic Rankine cycles to high-temperature heat pumps: A thermo-economic investigation of potential working fluids. Energy Conversion and Management: X, 27, article number 101156. doi: 10.1016/j.ecmx.2025.101156.
  25. Padullés Solé, R., Hansen, M.L., Killinger, S., Clausen, L.R., Elmegaard, B., & Zühlsdorf, B. (2025). Optimal operation of industrial heat pumps with stratified thermal energy storage for emissions and cost reduction using day-ahead predictions. Applied Thermal Engineering, 266, article number 125703. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2025.125703.
  26. Rosenow, J., Gibb, D., Nowak, T., & Lowes, R. (2022). Heating up the global heat pump market. Nature Energy, 7, 901-904. doi: 10.1038/s41560-022-01104-8.
  27. Shovkaliuk, M., & Kononenko, I. (2024). Study of the efficiency of heat pumps for energy supply of apartment buildings. Power Engineering: Economics, Technique, Ecology, 2(76), . doi: 10.20535/1813-5420.2.2024.303116.
  28. Silva, M., Kannan, S.K., Kök, A., Cardoso, A., Hummel, M., Nielsen, P.S., Siddique, M B., Faria, A., Jensterle, M., & Marques, C. (2024). EMB3Rs: A game-changer tool to support waste heat recovery and reuse. Energy Conversion and Management, 309, article number 118408. doi: 10.1016/j.enconman.2024.118408.
  29. Turek, V., Kilkovský, B., Daxner, J., Babička Fialová, D., & Jegla, Z. (2024). Industrial waste heat utilization in the European Union: An engineering-centric review. Energies, 17(9), article number 2084. doi: 10.3390/en17092084.
  30. Tzouganakis, P., Markides, C.N., Sapin, P., & White, A.J. (2025). Thermodynamic analysis of a solar-fed heat upgrade system for industrial process heat. Renewable Energy, 239, article number 121975. doi: 10.1016/j.renene.2024.121975.
  31. Walden, J.V., & Stathopoulos, P. (2024). The impact of heat pump load flexibility on its process integration and economics. Journal of Cleaner Production, 462, article number 142643. doi: 10.1016/j.jclepro.2024.142643.
  32. Wang, J., Guo, Y., Yue, C., Deng, W., & Zeng, L. (2024). Comprehensive assessment of waste heat recovery mismatch and renewable energy integration in data centers: A multifaceted energy, economic, and environmental perspective. Journal of Cleaner Production, 472, article number 143466. doi: 10.1016/j.jclepro.2024.143466.
  33. Wang, R., Yan, H., & Wu, D. (2024). High temperature heat pumps for industrial heating processes using water as refrigerant. Energy, 313, article number 133847. doi: 10.1016/j.energy.2024.133847.
  34. Wang, R., Zhang, W., Yang, S., Zhang, Z., Fan, S., & Lai, C.S. (2023). A novel approach for utilizing waste heat resources in the steel industry. Frontiers in Energy Research, 11, article number 1257344. doi: 10.3389/fenrg.2023.1257344.
  35. Wu, J., Yang, L., & Zhang, C. (2025). High-temperature heat pumps: Key technologies and industrial applications toward carbon-neutral process heating. Carbon Neutrality, 1, article number 21. doi: 10.1007/s44438-025-00021-z.
Tkachenko, M. (2025). Improving energy efficiency of industrial heating systems through the use of heat pumps. Journal of Kryvyi Rih National University, 23(2), 144-161. https://doi.org/10.31721/2306-5451-2025-2-23-144-161
uk