Wybór ekologicznego (alternatywnego) czynnika chłodniczego jest dokonywany z uwzględnieniem wszystkich kryteriów dla danego zastosowania, a także emisji wynikających z eksploatacji w całym okresie użytkowania.
Bezpieczeństwo alternatywnych czynników chłodniczych
Wymagania dotyczą konkretnego zastosowania i związane są z palnością, toksycznością oraz środkami ograniczającymi ryzyko.
Czynniki chłodnicze o niższym GWP z grup HFC, HFC / HFO-mieszanki i HFO (w tym HCFO) mają korzystny profil toksyczności i mogą zapewnić wymagane właściwości niepalności niezbędne dla wielu zastosowań. Ich właściwości bezpieczeństwa, wydajność i parametry techniczne umożliwiają efektywne wykorzystanie tych fluorowęglowodorów w szerokim zakresie zastosowań.
Zmniejszenie ryzyka pożaru
Tam, gdzie wymagana jest niepalność, dostępne są niektóre HFC, mieszanki HFC / HFO, HFO i HCFO, które mają sprawdzone parametry techniczne. Niepalność jest ważnym wymaganiem w przypadku wielu instalacji RACHP (chłodniczych, klimatyzacyjnych i pomp ciepła) stosowanych w miejscach publicznych, takich jak teatry, supermarkety, węzły komunikacyjne i wysokie budynki. W niektórych zastosowaniach można stosować lekko łatwopalne fluorowęglowodory (HFC o niższym GWP, mieszanki HFC / HFO i HFO), które zapewniają doskonałe parametry techniczne i niższe współczynniki GWP w porównaniu z niepalnymi HFC. Ryzyko pożaru jest realne. Wysoce łatwopalne (węglowodory) i toksyczne (amoniak) czynniki chłodnicze, ze względu na ich profile bezpieczeństwa, mają większe ograniczenia dotyczące wielkości napełnienia instalacji i zastosowań. Dzieje się tak, ponieważ konsekwencje utraty szczelności w wyniku wycieku lub podczas serwisowania i konserwacji mogą być poważne, szczególnie w przypadku większych ilości czynnika chłodniczego. Niestety, miało miejsce wiele incydentów skutkujących obrażeniami, śmiercią lub znacznymi uszkodzeniami mienia z powodu takiej utraty szczelności.
Normy, takie jak ASHRAE 34 (wykaz czynników chłodniczych) i ISO-817 (czynniki chłodnicze -oznaczenie i klasyfikacja bezpieczeństwa), wykorzystują właściwości palności i toksyczności czynnika chłodniczego do definiowania klasyfikacji czynników chłodniczych. Dane dotyczące bezpieczeństwa czynnika chłodniczego są generalnie opracowywane przez dostawcę czynnika chłodniczego i przekazywane do przeglądu przez ASHRAE 34 i / lub ISO-817. Klasyfikacje czynników chłodniczych i specyficzne właściwości, takie jak dolna granica palności (LFL), są używane w normach, takich jak EN 378 i ISO 5149, do określenia ilości czynnika chłodniczego i dopuszczalnych zastosowań. Czynniki chłodnicze „słabo łatwopalne” (klasyfikacja A2L) mają inne obliczenia maksymalnej ilości czynnika chłodniczego w porównaniu z innymi łatwopalnymi czynnikami chłodniczymi. Norma EN 378 definiuje również środki zmniejszające ryzyko dla niektórych klas czynników chłodniczych.
Tabele przedstawiają klasyfikacje bezpieczeństwa i kilka przykładów czynników chłodniczych oraz ich klasyfikację bezpieczeństwa w oparciu o ISO-817.
Właściwości palności czynników chłodniczych
Międzynarodowe i europejskie przepisy i normy dotyczące bezpieczeństwa, takie jak ISO 5149, EN 378 i IEC 60335-2-40, określają wymagania, które mają pozostać znacznie poniżej dolnej granicy palności w przypadku przypadkowego wycieku. Inne właściwości palności określają łatwość zapłonu (minimalna energia zapłonu) i wzrost ciśnienia dla zapłonu w zamkniętych przestrzeniach. Jeśli czynnik chłodniczy jest łatwopalny, zastosowane właściwości klasyfikacyjne są następujące:
- Dolna granica palności (LFL)
- Ciepło spalania (HoC)
- Prędkość spalania (BV)
Są to podzbiory właściwości palności, które mogą również obejmować:
- Górna granica palności (UFL),
- Minimalna energia zapłonu (MIE),
- Szczytowy stały wzrost ciśnienia objętościowego przy spalaniu zamkniętym
- Wskaźnik deflagracji, mierzy względną intensywność wybuchu, obliczoną z maksymalnej szybkości wzrostu ciśnienia i objętości naczynia badawczego
Niektóre z tych właściwości są połączone. Wykresy przedstawiają dane dotyczące palności dla czynników chłodniczych R-290 (A3), R-152a (A2), R-717 (B2L), R-32 (A2L) i R1234yf (A2L). Dane te potwierdzają proponowane powiązania między właściwościami palności i pomagają wyjaśnić, dlaczego tylko trzy właściwości są wykorzystywane do klasyfikacji czynnika chłodniczego:
- ciepło spalania (HoC), szczytowe stałe ciśnienie objętościowe i wskaźnik deflagracji odnoszą się do tego, jak energetyczne jest spalanie,
- prędkość spalania
- odwrotnie skorelowane z minimalną energią zapłonu (wyższe prędkości spalania były łatwiejsze do zapłonu przy niższych energiach zapłonu)
- wydaje się być skorelowany z LFL i wskaźnikiem deflagracji
- stwierdzono niewielką lub żadną korelację między BV a temperaturą samozapłonu, prawdopodobnie z powodu charakteru standardowego testu pomiaru AIT, który jest przeprowadzany przez ogrzewanie mieszaniny ze wszystkich stron.
Toksyczność czynnika chłodniczego
Klasyfikacja toksyczności czynnika chłodniczego to 400 ppm Dopuszczalna wartość narażenia zawodowego (OEL) jako podział na czynniki chłodnicze o wyższej i niższej toksyczności. Wszystkie powszechnie stosowane HFC (z wyjątkiem HFC-245fa), HFO i HCFO są klasyfikowane jako nisko toksyczne, z OEL w zakresie od 400 do 1000 ppm. R514A (zawierający dichloroetan) jest sklasyfikowany jako B1. Czynniki chłodnicze węglowodorowe są klasyfikowane jako mało toksyczne. Kategoria toksyczności jest albo wysoce toksyczna (LC50 ≤200 ppm), toksyczna (LC50 ≤ 2000 ppm), albo żadna (mniejsza toksyczność niż którakolwiek z tych grup). Wszystkie powszechnie stosowane HFC, HFO i HCFO należą do kategorii „żadne”.
Amoniak ma OEL na poziomie 25 ppm i krótkotrwałą wartość graniczną narażenia na poziomie 35 ppm, a zgodnie z ISO817: 2014 poziom narażenia na ostrą toksyczność wynosi 320 ppm. Poziom narażenia na ostrą toksyczność czynników chłodniczych służy do określania praktycznych limitów toksyczności w oparciu o toksyczność, przy czym maksymalna wartość jest ustalana przez limit deprywacji (niedobór) tlenu (ODL), który wynosi 140 000 ppm (14% v / v).
Klasyfikacja bezpieczeństwa czynnika chłodniczego jest stosowana tylko w odniesieniu do bezpieczeństwa układów chłodniczych, klimatyzacyjnych i pomp ciepła.
Wszystkie łatwopalne czynniki chłodnicze oparte na fluoropochodnych węglowodorach są klasyfikowane jako gaz skrajnie łatwopalny. Wyjątkiem jest HFO R-1234ze , który klasyfikuje się jako niepalny w 20 ° C. Klasyfikacja bezpieczeństwa czynnika chłodniczego ocenia palność w wyższej temperaturze.
Zastosowanie alternatywnych czynników chłodniczych
O przydatności do zastosowania danego rodzaju czynnika chłodniczego decyduje:
- rodzaj sprzętu i urządzeń,
- moc i wydajność chłodnicza,
- temperatura parowania,
- temperatura krytyczna,
- ciepło parowania,
- stabilność w temperaturach roboczych,
- kompatybilność materiałów.
Komercyjne chłodzenie obejmuje szeroki zakres obiektów od małych kawiarni po duże supermarkety, a wymagania dotyczące chłodzenia obejmują produkty mrożone i chłodzone oraz klimatyzację pomieszczeń.
Główne kategorie to:
- scentralizowane systemy chłodnicze dla supermarketów,
- urządzenia chłodnicze i klimatyzacyjne dla obiektów handlowych,
- agregaty hermetycznie zamknięte szaf i lad chłodniczych dla mniejszych obiektów handlowych.
Oprócz ogólnych wymagań rozporządzenia 517/2014 w sprawie gazów fluorowanych i wycofywania czynników chłodniczych z grupy HFC prowadzącego do stosowania czynników chłodniczych o niższym GWP, sektor chłodnictwa komercyjnego ma dwa szczególne zakazy stosowania oprócz zakazu stosowania pierwotnych czynników chłodniczych o GWP wyższym niż 2500 na utrzymanie istniejących instalacji od 1 stycznia 2020 r.
Czynniki HFC R-134a i R-404A są szeroko stosowane w chłodnictwie komercyjnym. Obecnie stosuje się lub wdraża niepalne czynniki chłodnicze HFC i HFC / HFO o niższym GWP, a R-134a jest nadal używany w scentralizowanych systemach w obwodach kaskadowych. Zastosowanie czynników chłodniczych A2L o niskim współczynniku GWP w chłodnictwie musi zapewnić bezpieczeństwo, zużycie energii i opłacalność w porównaniu z innymi rozwiązaniami o niskim GWP.
Niepalne czynniki chłodnicze z grup HFC i HFC / HFO o niższym GWP mogą być używane do modernizacji lub wymiany R-134a lub R-404A w obecnym sprzęcie, biorąc pod uwagę szczególne parametry czynnika chłodniczego, aprobatę producenta sprzętu oraz w przypadku wymiany R-404A, osiągalne temperatury tłoczenia z zamiennymi czynnikami chłodniczymi.
Chociaż R-134a ma wartość graniczną GWP mniejszą niż 2500, można zastosować alternatywy o niższym współczynniku GWP i obejmują one R-450A (GWP 605) i R-513A (GWP 631). W przypadku wymiany R-404A dostępne opcje obejmują R-407A, R-407F, R-407H, R-448A, R-449A i R-452A o GWP w zakresie od 1387 do 2140.
Stosowanie średnio łatwopalnych czynników chłodniczych na bazie fluoropochodnych węglowodorów A2L o niższym współczynniku GWP wymaga, aby projekt, lokalizacja i ilość czynnika chłodniczego uwzględniała specyficzne wymagania dotyczące łatwopalnych czynników chłodniczych. W zastosowaniach średniotemperaturowych czynnik chłodniczy R-134a zastąpimy czynnikami z grupy HFO R-1234yf lub R-1234ze lub R-516A oferują one podobną efektywność energetyczną. W przypadku R-404A możliwe czynniki chłodnicze A2L obejmują R-454A, R-454C, R-455A i R-457A, przy czym niektóre mają GWP poniżej 150.
Agregaty hermetycznie zamknięte do szaf i lad chłodniczych
Te hermetyczne systemy są zwykle używane w sklepach ogólnospożywczych, mini-supermarketach i innych podobnych obiektach handlowych. W przeszłości stosowano R-134a i R-404A.Niektóre jednostki z niewielkimi ilościami czynnika chłodniczego, które wcześniej stosowały R-134a, teraz wykorzystują niewielką ilość węglowodorowego czynnika chłodniczego, podobnie jak domowe lodówki. Jednak tam, gdzie zastosowanie wysoce łatwopalnych węglowodorów jest problemem można zastosować lekko łatwopalne czynniki chłodnicze A2L, należy zastosować mieszankę HFC / HFO R-516A (GWP 142) lub HFOs R-1234yf i R-1234ze (E) (GWPs < 1, wartość AR5) są alternatywą dla R-134a i zapewniają podobną efektywność energetyczną. Niepalne mieszanki HFC / HFO o niższym GWP są również dostępne jako alternatywa dla HFC-134a.
Jako zamiennik R-404A mieszanki HFC / HFO oferują podobną wydajność w tym zastosowaniu i są albo niepalnymi czynnikami chłodniczymi o niższym GWP (R-448A, GWP 1387) lub średnio łatwopalnymi (klasyfikacja A2L) o niższym GWP, takim jak R-454A (GWP 238), przy czym niektóre mają GWP mniejsze niż 150 (R-455A, GWP 148; R-454C, GWP 148) i oferują podobne lub lepsze zużycie energii w porównaniu z R-404A.
Skutki środowiskowe wykorzystywania czynników chłodniczych
Kwestie bezpieczeństwa związane z powszechnymi czynnikami chłodniczymi w latach dwudziestych XX wieku doprowadziły do przyjęcia CFC na szeroką skalę, dopóki nie odkryto, że wpływały one na warstwę ozonową. Ogólnoświatowy wysiłek doprowadził do wycofania CFC i przyjęcia HFC w latach 90, po przeprowadzeniu szeroko zakrojonych ocen bezpieczeństwa i środowiskowych. Wiadomo było, że HFC mają wysoki potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP), ale są one znacznie mniejsze niż w przypadku CFC. W rzeczywistości stopniowe wycofywanie freonów i zastąpienie ich substancjami HFC nie tylko przyczyniło się do zachowania warstwy ozonowej, ale także w najbardziej znaczący i pozytywny sposób przyczyniło się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. Ich redukcja była około czterokrotnie większa niż cel protokołu z Kioto. Coraz większy nacisk na zmianę klimatu przyjmuje się niższe GWP dla HFC i zidentyfikowano HFO / HCFO jako mające podobne właściwości do HFC, ale z bardzo niskim GWP.
Wczesne chłodzenie obejmowało amoniak (NH3), chlorometan (CH3Cl) i dwutlenek siarki (SO2). Okazały się one łatwopalne lub toksyczne.
CFC zostały okrzyknięte „cudowną cząsteczką”: niska temperatura wrzenia, niska toksyczność i ogólnie niereaktywne. Jego wynalazca wykazał wszystkie te właściwości „wdychając oddech gazu i używając go do zdmuchnięcia świecy!” już w roku 1930 r. W latach pięćdziesiątych XX wieku stosowanie CFC stało się powszechne, ale badania w latach siedemdziesiątych XX wieku wykazały, że już sama stabilność powoduje uszkodzenie warstwy ozonowej.
HFC zostały opracowane jako alternatywa dla CFC i zostały wprowadzone na całym świecie w ciągu kilku lat. HFC nie wpływały na warstwę ozonową, ale chociaż wiadomo było, że HFC mają wysoki potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP), są one znacznie mniejsze niż w przypadku CFC.
HFO to najnowsza generacja czynników chłodniczych, które mają dobre właściwości bezpieczeństwa, nie wpływają na warstwę ozonową i mają bardzo niski współczynnik GWP.
HFO i HCFO mają znikomy wpływ na globalne ocieplenie, nie są uwzględnione w koszyku gazów cieplarnianych i są gazami o krótkim czasie życia, których żywotność wynosi dni lub miesiące, co oznacza, że są bardzo szybko usuwane z atmosfery.
Powszechnie stosowane HFC mają żywotność lat lub dziesięcioleci. Gazy cieplarniane (GHG) o znacznie krótszej żywotności niż CO2, takie jak metan – CH4 (żywotność ~ 12 lat) i niektóre HFC, takie jak HFC-32 (żywotność ~ 5,2 roku) i HFC-134a (żywotność ~ 13,4 lat) zachowują się zupełnie inaczej niż „długożywotny” CO2.Gazy cieplarniane o krótkim okresie życia oddziałują na klimat w inny sposób jakościowo niż CO2, przy stałych wskaźnikach emisji prowadzących do w przybliżeniu stałego poziomu podwyższonej średniej temperatury na świecie, ale nie do trwałego i stale narastającego ocieplenia. Agregacja jako „ekwiwalent dwutlenku węgla” nie pozwala uchwycić tej fundamentalnej różnicy w sposobie, w jaki emisje krótko- i długotrwałych gazów cieplarnianych wpływają na globalną temperaturę. Jednak porównywalność międzynarodowa przemawia za dalszym stosowaniem istniejących wskaźników „równoważnika CO2” (100-letni GWP) i przemienia go w globalne ocieplenie o 1,5 ° C. Raport specjalny IPCC na temat skutków globalnego ocieplenia o 1,5 ° C zajmuje się głębiej tym tematem. Wymuszacze klimatyczne dzielą się na dwie szerokie kategorie pod względem ich wpływu na globalną temperaturę długowiecznych gazów cieplarnianych, takich jak CO2 i podtlenek azotu (N2O),których wpływ na ocieplenie zależy przede wszystkim od całkowitej skumulowanej ilości wyemitowanej w ciągu ostatniego stulecia lub całej epoki przemysłowej; oraz krótkotrwałe czynniki wpływające na klimat (SLCF), takie jak metan i sadza, których wpływ na ocieplenie zależy przede wszystkim od obecnych i ostatnich rocznych emisji. Te różne zależności wpływają na redukcje emisji wymagane od poszczególnych siłowników w celu ograniczenia ocieplenia do 1,5 ° C lub dowolnego innego poziomu.
Nowe systemy nadal wykorzystują HFC o niższym współczynniku GWP. Na przykład HFC-32 ma GWP 675 i jest powszechnie przyjmowany jako alternatywa o niższym GWP dla R-410A o wysokim GWP w nowych systemach, szczególnie tam, gdzie same HFO lub HCFO nie zapewniają niezbędnej wydajności technicznej. Ma również lepszą efektywność energetyczną, wymaga mniejszej ilości czynnika chłodniczego i ma stosunkowo krótką żywotność w atmosferze (5,2 roku).
W 2018 r. konsumpcja HFC była już o 46% poniżej pierwszego limitu dla UE wynikającego z poprawki do protokołu montrealskiego z Kigali (który miał zostać osiągnięty w 2019 r.).
*Opracowano na podstawie materiałów EFCTC (Europejski Komitet Techniczny ds. Fluorocarbonów)