Pompy ciepła na alternatywne czynniki chłodnicze

Stosowanie czynników o niskim GWP (Global Warming Potential – potencjał tworzenia efektu cieplarnianego) jest elementem polityki środowiskowej UE, dzięki której emisja gazów cieplarnianych ma spaść do 2050 roku o 80–95% w porównaniu do roku 1990. W zakresie czynników chłodniczych zagadnienie to jest regulowane przez rozporządzenie F-gazowe [1], którego celem jest ograniczenie emisji F-gazów (fluorowanych gazów cieplarnianych z grupy HFC – węglowodorów fluorowanych) o 2/3 do 2030 roku, w porównaniu do roku 2014.

Rozporządzenie to, przeniesione na polski grunt ustawą F-gazową [2], zawiera m.in. harmonogram wycofywania z rynku czynników chłodniczych o szczególnie wysokim GWP. Oznacza to na przykład, że od 2025 roku w nowych klimatyzatorach typu split o napełnieniu do 3 kg nie będzie można stosować czynnika chłodniczego o GWP > 750. Mimo że w obecnej wersji rozporządzenia F-gazowego wycofywanie czynników nie dotyczy pomp ciepła, może się to zmienić za sprawą przeglądu rozporządzenia, w ramach którego proponowane są kolejne zaostrzenia wymogów (jeszcze nieprzesądzone). Wśród propozycji znalazł się m.in. całkowity zakaz stosowania czynników chłodniczych o GWP > 750 w klimatyzatorach stacjonarnych i pompach ciepła oraz zakaz stosowania czynników o GWP > 150 w klimatyzatorach i pompach ciepła o mocy chłodniczej/grzewczej poniżej 12 kW [3].

Czytaj także: Pompa ciepła - poznaj całkowity koszt inwestycji >>

Wymaganiom ustawy F-gazowej [2] oraz rozporządzenia F-gazowego [1] podlegają pompy ciepła, które zawierają fluorowane gazy cieplarniane w ilości od 5 ton ekwiwalentu CO₂ oraz pompy ciepła hermetycznie zamknięte, zawierające fluorowane gazy cieplarniane w ilościach nie mniejszych niż 10 ton ekwiwalentu CO₂. Zgodnie z definicją zawartą w rozporządzeniu F-gazowym [1] pompami ciepła hermetycznie zamkniętymi są pompy monoblokowe.

Urządzenia podlegające ustawie F-gazowej wymagają założenia i uzupełniania ich kart w Centralnym Rejestrze Operatorów oraz regularnych kontroli szczelności, których częstotliwość zależy od wielkości napełnienia pompy ciepła (nie rzadziej niż raz na rok), wyrażonej w tonach ekwiwalentu CO₂. Pompa ciepła zawierająca czynnik chłodniczy z grupy gazów fluorowanych, ale o niskim GWP – np. R32 (GWP 675) czy R454C (GWP 146) – może więc nie podlegać wymaganiom ustawy [2]. Jej wymogom nie podlegają także pompy ciepła pracujące na czynnikach, które nie są F-gazami – chodzi głównie o propan R290 (GWP 3) i dwutlenek węgla R744 (GWP 1).

Zmiany w zakresie czynników chłodniczych napędzane są również przez wzrost popytu i podaży tzw. wysokotemperaturowych pomp ciepła, czyli produkujących bez dodatkowego wspomagania wodę grzewczą o temperaturze zasilania 55°C i więcej – w zależności od konstrukcji sprężarki i zastosowanego czynnika nawet do 120°C. Pompy takie mogą współpracować z istniejącymi instalacjami grzejnikowymi. Zgodnie z Falą renowacji w Polsce do 2030 roku ok. 234 tys. budynków rocznie ma przejść remont instalacji grzewczej [4] – to rynek głównie dla węzłów ciepłowniczych i właśnie wysokotemperaturowych pomp ciepła.

Ostatnim zagadnieniem są ceny i dostępność czynników o wysokim GWP w nadchodzących latach. Na czynniki te obowiązują tzw. kontyngenty, mogą więc wystąpić problemy z ich dostępnością. Natomiast ceny tych czynników od kilku lat systematycznie rosną.

Po stronie ewentualnych problemów z czynnikami alternatywnymi należy wymienić przede wszystkim palność. Niemal wszystkie czynniki alternatywne, które można stosować w pompach ciepła (z wyjątkiem R744, czyli dwutlenku węgla), są wysoce palne (klasa A3) lub palne (klasa A2) – a właściwie „lekko palne” (klasa A2L) zgodnie z normą PN-EN 378 [5]. Klasę A2L wydzielono ze względu na szybkość spalania, która w warunkach 23°C i 101,3 kPa wynosi maks. 10 cm/s. Palność czynników wymaga odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych (szczególnie sprężarek), uzależnienia maksymalnej wielkości napełnienia urządzeń od ich zastosowania (np. czy będą stosowane w miejscach częstego przebywania ludzi), właściwej konstrukcji i wentylacji obudowy oraz edukacji instalatorów i zachowania zasad bezpiecznego montażu czy konserwacji. Z powodu palności czynników chłodniczych pompy ciepła na nowe czynniki są najczęściej oferowane jako monoblokowe – szczególnie dla obiektów mieszkaniowych.

Zagadnienia konstrukcyjne i produkcyjne mogą stanowić kolejną barierę dla producentów, szczególnie w przypadku „przestawiania” produkcji. Zastosowanie nowego czynnika w już oferowanych urządzeniach wymaga zmian konstrukcyjnych, głównie odpowiednich sprężarek czy wymienników ciepła, dostosowanych do wymagań dotyczących palności (szczególnie urządzenia na R290, czyli propan) czy do konkretnych parametrów pracy układu chłodniczego, np. ciśnienia (szczególnie urządzenia na R744 – dwutlenek węgla o GWP 1). Pompę ciepła o nowej konstrukcji należy także na nowo wprowadzić na rynek, przeprowadzając wymagane procesy certyfikacji.
Zgodnie z raportem brytyjskiej agencji konsultingowej BSRIA ponad 80% pomp ciepła sprzedanych w 2019 r. pracowało na

czynniku R410A (mieszanina R32 i R143a o GWP 2088), drugie miejsce zajmował czynnik R134A (GWP 1430), a R32 (GWP 675) i R290, czyli propan (GWP 3), miały dotychczas marginalne znaczenie. Jednak w przypadku mniejszych jednostek do 2023 r. wzrosnąć ma użycie R32, a w większych urządzeniach – propanu [6].

Czynnik R32

Na rynku klimatyzacji przez ostatnie lata furorę robił R32 (difluorometan, CH2F2) – jednoskładnikowy czynnik o GWP 675, który wcześniej występował jako składnik czynnika R410A.

Zgodnie z normą PN-EN 378 [5] R32 należy do czynników lekko palnych (klasa A2L) i jednocześnie wyróżnia się dobrymi cechami technicznymi i użytkowymi:

• wymaga mniejszego napełnienia niż R410A – w przypadku urządzenia o tej samej wydajności chłodniczej potrzeba nawet o 15–30% mniej czynnika R32;
• ma lepszą przewodność cieplną i lepkość – sprawne procesy przemian cieplnych i mniejsze opory przepływu oznaczają większą efektywność energetyczną, dzięki czemu pompa ciepła może mieć klasę A+++;
• pod względem produkcji nie wymaga istotnych zmian konstrukcyjnych w samym urządzeniu, jednak do jego obsługi wykonawca potrzebuje przystosowanych narzędzi chłodniczych, np. pompy próżniowej czy stacji do odzysku czynnika;
• czynnik jest jednorodny, dzięki czemu może być ładowany zarówno w stanie ciekłym, jak i gazowym, podczas gdy R410A tylko w stanie ciekłym;
• jest o ok. 20% tańszy niż R410A.

R32 jest cięższy od powietrza, przy montażu należy zatem unikać obniżeń poziomu podłogi, gdzie w przypadku sytuacji awaryjnej mógłby się gromadzić uwolniony czynnik.
R454C: mniej znany czynnik chłodniczy z przyszłością

R454C (Opteon XL20) to mieszanina czynnika R32 (21,5%) i R1234yf (78,5%), o GWP 148 (a więc mniej niż 150), lekko palny. Na razie jest on dostępny w ofercie nielicznych producentów pomp ciepła, może jednak nabrać większego znaczenia wraz z prognozowanymi zmianami rozporządzenia F-gazowego. Obecnie przeznaczony jest głównie do zastosowania tam, gdzie wcześniej używano wycofywanego czynnika R404A (GWP 3922).

Według jednego z producentów pompy ciepła z tym czynnikiem mają współczynnik COP o 15% wyższy niż analogiczne urządzenia na R410A (GWP 2088). Inna firma wskazuje, że w przypadku dużych, przemysłowych pomp ciepła można uzyskać wodę grzewczą o temperaturze do 75°C przy temperaturze zewnętrznej wynoszącej nawet –20°C bez użycia dodatkowego źródła energii, np. grzałek elektrycznych.

Czynniki naturalne w pompach ciepła – R290 i R744

Coraz większego znaczenia jako czynnik chłodniczy nabiera także R290, czyli propan (C3H8). Urządzenia monoblokowe na ten czynnik wprowadzane są do ofert przez uznanych producentów pomp ciepła, chętnie wybierane są też przez firmy grzewcze rozpoczynające produkcję pomp ciepła (np. wywodzące się z sektora kotłów węglowych). Propan ma niskie GWP (3) i urządzenia na ten czynnik nie podlegają ustawie F-gazowej, co upraszcza ich eksploatację. Urządzenia na R290 mogą zapewnić temperaturę wody grzewczej na zasilaniu do 70°C (dla temperatury zewnętrznej do –10°C) oraz zapobiegać zamarzaniu wymienników przy niskim zużyciu energii. Dzięki temu COP pomp ciepła na propan może być nawet o 20–40% wyższy niż w przypadku ich odpowiedników na czynniki syntetyczne.

Czytaj też: Buforowe zbiorniki ciepła »

Zasadniczym wyzwaniem jest palność tego czynnika (klasa A3) – dolna granica wybuchowości występuje przy stężeniu propanu w powietrzu wynoszącym 2,1%. Jest on też cięższy od powietrza, może się więc gromadzić w zagłębieniach podłoża. Oznacza to szereg obostrzeń, np. konieczność spełnienia wymagań przepisów dotyczących urządzeń ciśnieniowych [7] oraz dostosowania sprężarek do wymogów związanych ze strefami zagrożonymi wybuchem wg dyrektywy ATEX (2014/34/UE) [8]. Aby spełnić wszystkie wymagania bezpieczeństwa, pompy ciepła na propan oferowane są jako napełnione fabrycznie i hermetycznie zamknięte urządzenia monoblokowe w wykonaniu zewnętrznym.

W przypadku większych, głównie komercyjnych i przemysłowych, pomp ciepła jako czynnik chłodniczy zastosowanie znajduje także R744, czyli dwutlenek węgla (CO2). Gaz ten stosowany jest pod bardzo wysokim ciśnieniem, co wymaga spełnienia określonych wymagań [7] i zastosowania konkretnych rozwiązań sprężarki. Charakteryzuje się natomiast niskim GWP, równym 1, i jest niepalny. Pompy ciepła na ten czynnik mogą produkować wodę grzewczą o temperaturze nawet 90°C przy temperaturze otoczenia –25°C. Oznacza to także możliwość przygotowania wody gorącej (użytkowej i technologicznej) w trybie przepływowym.

Czynniki z grupy HFO

W przypadku większych pomp znaczenie mogą mieć także czynniki chłodnicze tzw. IV generacji – hydrofluoroolefiny (HFO), pochodne propylenu (propenu) oznaczone jako R1234. Cechują się bardzo niskim GWP i lekką palnością. Izomer 1234yf (GWP 4) stosowany jest powszechnie w klimatyzacji samochodowej, a R1234ze (GWP 7) – w nowych urządzeniach chłodniczych średnio- i wysokotemperaturowych (głównie duże układy dla chłodnictwa komercyjnego i przemysłowego), w miejsce R134a. W porównaniu do tego ostatniego czynnika ma podobne ciśnienie i wpływ na COP, ale niższą wydajność objętościową i chłodniczą (ok. 75% wydajności chłodniczej R134a).

Zastosowania izomeru R1234ze(E) jako czynnika chłodniczego zostały ostatnio poszerzone o wysokotemperaturowe pompy ciepła do zastosowań przemysłowych. Niedawno jeden z producentów wprowadził na rynek przemysłową pompę ciepła, która korzystając z takich dolnych źródeł, jak woda technologiczna, ścieki czy ciepło odpadowe z procesów przemysłowych, może zapewnić produkcję wody grzewczej o temperaturze nawet 120°C.

Literatura

1. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 517/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych i uchylenia rozporządzenia (WE) nr 842/2006 (Dz.Urz. UE L 150/195 z 20.05.2014)
2. Ustawa z dnia 15 maja 2015 r. o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych (t.j. DzU 2019, poz. 2158)
3. ECFT, F-gas regulation review, https://f-gas-regulation-review-2022.eu/ (dostęp: 26.01.2022)
4. Rada Ministrów, Długoterminowa Strategia Renowacji. Wspieranie Renowacji Krajowego Zasobu Budowlanego (projekt załącznika do uchwały), Warszawa, luty 2021
5. PN-EN 378 Instalacje chłodnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 1: Wymagania podstawowe, definicje, klasyfikacja i kryteria wyboru
6. BSRIA’s view on refrigerant trends in AC and Heat Pump segments, https://www.bsria.com/uk/news/article/bsrias_view_on_refrigerant_trends_in_ac_and_heat_pump_segments/ (dostęp: 26.01.2022)
7. Rozporządzenie Ministra Rozwoju dnia 11 lipca 2016 r. w sprawie wymagań dla urządzeń ciśnieniowych i zespołów urządzeń ciśnieniowych (t.j. DzU 2019, poz. 211)
8. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2014/34/UE z dnia 26 lutego 2014 r. w sprawie harmonizacji ustawodawstw państw członkowskich odnoszących się do urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w atmosferze potencjalnie wybuchowej (wersja przekształcona) (Dz.Urz. UE L 96/309 z 29.03.2014)
9. Materiały firm: Alpha-Innotec, Daikin, Fervor, Frapol, Galmet, Hewalex, HKS Lazar, Klima-Therm, Kołton, LNS, Mitsubishi Electric, Mitsubishi Heavy Industries, SAS, Stiebel Eltron, Systemair, Trane, Viessmann