Czynniki chłodnicze stosowane w pompach ciepła - rodzaje i właściwości

Dokonując wyboru czynnika chłodniczego dla układu pompy ciepła, należy wziąć pod uwagę kilka aspektów: wydajność urządzenia, bezpieczeństwo dla środowiska oraz użytkownika, a następnie wytypować czynnik o optymalnych parametrach. Jakie czynniki mamy do wyboru? Jakie są ich właściwości?

Spis treści

1. Krótka charakterystyka powszechnie stosowanych czynników chłodniczych
2. Zamienniki - alternatywne czynniki chłodnicze
3. Naturalne czynniki chłodnicze

Wymagania prawne oraz troska o środowisko naturalne wymuszają na producentach stosowanie w układach pomp ciepła czynników chłodniczych o niskich wartościach współczynnikach GWP. Z kolei klient oczekuje od produktu jak największej sprawności i wydajności.

W przypadku analizowanych w artykule czynników nowe substancje są bezpieczniejsze dla środowiska, a wartości współczynników COP na ogół przyjmują wyższe wartości. Różnica ta jednak nie przekracza 5%. Przy tak małych wahaniach pomiędzy uzyskanymi wartościami współczynników COP ochrona środowiska ma większe znaczenie. Propan (R290) z punktu widzenia termodynamicznego wydaje się być bardzo dobrym zamiennikiem. Jest czynnikiem naturalnym, stosunkowo tanim, o bardzo małym współczynniku GWP. Pozwala uzyskać wyższe współczynniki COP w porównaniu do czynnika, który ma zastąpić. Jego negatywną cechą jest wyższa klasa palności, która wprowadza pewne ograniczenia co do montażu urządzeń. Ich instalacja i serwis powinny być realizowane przez wykwalifikowany personel. Bezpieczeństwo w tego typu urządzeniach jest rzeczą najważniejszą.

Wprowadzanie nowych czynników na ogół zawsze wywołuje kontrowersje i wzbudza obawy wśród projektantów i serwisantów oraz wymaga czasu na przygotowanie i przystosowanie rynku chłodniczego. Niekorzystne oddziaływanie czynników na atmosferę widoczne jest dopiero po pewnym czasie. W związku z tym należy temu przeciwdziałać i szukać nowych substancji, które będą odpowiednimi zamiennikami, a następnie wprowadzać je do użytku. Powrót do naturalnych czynników wydaje się być słusznym kierunkiem.

Krótka charakterystyka powszechnie stosowanych czynników chłodniczych

• R410A – to blisko azeotropowa mieszanina czynników R32 (50%) i R125 (50%). Oznacza to, że mieszanina zachowuje się podobnie jak czynnik jednorodny i ma niewielki poślizg temperaturowy. Powszechnie stosowana w układach chłodniczych, klimatyzacyjnych i pompach ciepła. Jest zamiennikiem wycofanego z użycia czynnika R22. Cechuje się zerowym potencjałem niszczenia warstwy ozonowej, a współczynnik GWP = 2088.
• R134a – jest czynnikiem jednorodnym, powszechnie stosowanym w układach klimatyzacyjnych, jednostkach split, klimatyzacji samochodowej. Wykorzystywany jest również w pompach ciepła głównie przeznaczonych do podgrzewania c.w.u. Nie niszczy warstwy ozonowej, a jego wartość współczynnika GWP wynosi 1430.
• R407C – to mieszanina czynników R32 (23%), R125 (25%) i R134A (52%). Stosowana w układach chłodniczych, klimatyzacyjnych i pompach ciepła. Jest to mieszanina zeotropowa,  o poślizgu temperaturowym 7K. Temperatura odparowania pomiędzy wlotem do parownika a wyjściem ulega zmianie. W przypadku niekontrolowanego wycieku lub ubytku części czynnika serwisant musi usunąć pozostałą część, ponieważ nie wiadomo, który składnik mieszaniny ulotnił się, a który pozostał w instalacji. Prawidłowe napełnianie układu wykonywane jest tylko i wyłącznie przez fazę ciekłą.

Wyżej wymienione czynniki chłodnicze mają duże wartości liczby GWP, a wprowadzanie nowych urządzeń zawierających takie substancje w myśl ustawy F-gazowej jest zakazane lub ograniczone. Koncerny chemiczne zajmujące się produkcją czynników chemicznych szukają nowych zamienników, które spełniałyby wszystkie stawiane wymagania.

Zamienniki - alternatywne czynniki chłodnicze

W literaturze fachowej za alternatywne czynniki chłodnicze, które mogą być stosowane jako zamienniki obecnie już stosowanych, uznaje się następujące freony: R1234yf, R290, R32, R513A (Opteon XP10), R454C.

• R32 – czyli difluorometan, popularny m.in. w klimatyzatorach i pompach ciepła. Jest proponowany jako zamiennik R410a. Wartość GWP wynosi 675 i jest prawie 70% mniejsza niż dla R410. Ma nieco wyższe ciśnienia pracy i obecnie jest wykorzystywany w pompach ciepła oraz układach klimatyzacji. Dzięki swoim właściwościom termodynamicznym charakteryzuje się wyższą efektywnością. Ponadto wymaga mniejszej ilości czynnika. Zaliczany jest do grupy czynników A2L, czyli umiarkowanie palnych.
• R1234yf – jest proponowanym zamiennikiem dla czynnika R134a. Wykazuje prawie identyczne właściwości termodynamiczne i jest stosowany powszechnie w klimatyzacji samochodowej oraz przenośnych pompach ciepła. Charakteryzuje się bardzo niskim współczynnikiem GWP = 4 oraz zerowym potencjałem niszczenia warstwy ozonowej. Należy do klasy czynników grupy A2L, czyli umiarkowanie palnych. W przypadku zapłonu ubocznym produktem jest fluorowodór, który w kontakcie z wodą lub wilgocią tworzy kwas fluorowodorowy.
• R454C – jest jedyną mieszaniną zeotropową, mającą niską wartość współczynnika GWP = 146. W jego skład wchodzi czynnik R32 oraz R1234yf (udział procentowy wynosi odpowiednio: 21,5% R32 oraz 78,5% R1234yf). Cechuje go poślizg temperaturowy 7,8K, należy do grupy czynników A2L. Pozwala osiągać wyższe współczynniki COP nawet o 15% (https://www.stiebel-eltron.pl/pl/produkty-rozwiazania/nowosci-i-rozwiazania/czynnik-chlodniczy-r454c.html – dostęp z 5.02.2023).

W tabeli 1 przedstawiono wybrane właściwości omawianych czynników chłodniczych. Analizując tę tabelę, można zauważyć, że czynniki o niskich współczynnikach GWP, proponowane jako zamienniki wcześniej stosowanych, mają wyższą klasę palności. Generalnie można przyjąć, że im niższa wartość współczynnika GWP, tym wyższa klasa palności.

Przeczytaj również:

• Funkcje i efektywność czynników chłodniczych w pompach ciepła
• Dlaczego pompy ciepła się psują? Co wpływa na żywotność pompy ciepła? Jak często psują się pompy ciepła?
• Te pompy ciepła bez dofinansowania w 2024! Zmiany w dotacjach od 1 kwietnia

Naturalne czynniki chłodnicze

Czynniki chłodnicze pochodzenia naturalnego były używane w chłodnictwie od samego początku, przykładem może być dwutlenek węgla, amoniak. Już w drugiej połowie XIX w. chłodnictwo opierało się na wykorzystywaniu tego typu czynników.

Wśród nich można wymienić:

• R290 – propan;
• R1270 – propylen;
• R600a – izobutan;
• R717 – amoniak;
• R744 – dwutlenek węgla.

Jednak nie wszystkie z nich nadają się do wykorzystywania w pompach ciepła przeznaczonych do domów jednorodzinnych.

W tabeli 2 przedstawiono wybrane właściwości omawianych czynników naturalnych stosowanych w pompach ciepła.

• R717 – amoniak (NH3) ze względu na swoje właściwości fizyczne i termodynamiczne jest bardzo dobrym czynnikiem, a zbudowane na nim układy są bardzo efektywne. Ma zerowe wartości liczby GWP i ODP. Amoniakalne pompy ciepła wykonywane są jako urządzenia przemysłowe o wydajności od kilkuset kW do kilku MW. Cechuje go toksyczność i palność, klasa B2. Nie znajduje zastosowania w układach pomp ciepła przeznaczonych do budynków jednorodzinnych.
• R744 – dwutlenek węgla może być wykorzystywany w pompach ciepła. Należy pamiętać, że zalicza się do grupy czynników wysokociśnieniowych, tzn. że jego ciśnienia pracy są znacznie wyższe. Dodatkowo temperatura skraplania powyżej 31,05°C oznacza pracę układu pompy ciepła w układzie nadkrytycznym, gdzie zamiast skraplacza jest chłodnica gazu. Z uwagi na wysokie ciśnienia tłoczenia pompy tego typu zaliczane są do urządzeń wysokotemperaturowych. Temperatura wody grzewczej przeznaczonej do c.o. lub c.w.u. może wynosić nawet 90°C (https://www.mhi.info.pl/pompy-ciepla/pompa-ciepla-q-ton – dostęp z 5.02.2023). Urządzenia te mają stosunkowo dużą wydajność w odniesieniu do zapotrzebowania na ciepło domów jednorodzinnych.
• R600a – izobutan należy do czynników naturalnych o zerowym współczynniku ODP i bardzo małym współczynniku GWP = 3. Z uwagi na swoje właściwości termodynamiczne jest wykorzystywany w układach chłodniczych małej mocy. Powszechnie stosowany w domowych lodówkach.
• R290 – propan to kolejny naturalny czynnik chłodniczy, który staje się bardzo popularny w pompach ciepła. Ma zerowy potencjał niszczenia warstwy ozonowej i współczynnik GWP = 3. Wykazuje bardzo dobre właściwości termodynamiczne, a tworzone układy chłodnicze są wysoce efektywne. Pompy ciepła z R290 mogą pracować do temperatury otoczenia wynoszącej –25°C, a nawet –30°C. Dodatkowo jako czynnik naturalny nie podlega pod rozporządzenia F-gazowe oraz zgodnie z przepisami nie wymaga okresowej kontroli szczelności i rejestracji w bazie CRO. Należy do czynników łatwopalnych/wybuchowych, o klasie wybuchowości A3. Z tego względu w zależności od zastosowania, rodzaju budynku i kubatury pomieszczenia podlega ograniczeniom co do maksymalnego napełnienia układu chłodniczego. Najczęściej pompy ciepła z tym czynnikiem są wykonywane jako monoblok. Czyli cały układ chłodniczy znajduje się w jednostce zewnętrznej, która została napełniona przez producenta. Podczas montażu instalator nie ingeruje w układ chłodniczy ani jego czynnik. Zmniejsza się w ten sposób ryzyko wystąpienia niekontrolowanego wycieku i wystąpienia potencjalnie wybuchowej atmosfery. Usytuowanie całego urządzenia na zewnątrz zmniejsza ryzyko zapłonu do minimum, bo w razie wystąpienia nieszczelności czynnik ulatnia się do atmosfery, a nie gromadzi w zamkniętym pomieszczeniu. Ponadto przy pompach ciepła typu monoblok nie są wymagane uprawnienia typu F-gaz do montażu urządzenia. W przypadku niezbędnego serwisu i ingerencji w układ chłodniczy należy taką pracę powierzyć wykwalifikowanym i przeszkolonym pracownikom, którzy mają wiedzę nie tylko chłodniczą, lecz także z zakresu pracy z substancjami palnymi i wybuchowymi.