Czynniki chłodnicze dla pomp ciepła

Zgodnie z Centralną Ewidencją Emisyjności Budynków (stan na 5.09.2022) w Polsce w budynkach podlegających wpisowi do tej ewidencji pracowało ponad 255 tys. pomp ciepła. Stanowi to ok. 2% wszystkich zdeklarowanych źródeł ciepła [1]. Jak ocenia Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła (PORT PC), w 2021 r. sprzedano 79 tys. sztuk pomp ciepła, czyli o 88% więcej niż w poprzednim roku, natomiast wzrost rynkowy w pierwszej połowie 2022 r. wyniósł 86% [2]. Według statystyk programu „Czyste Powietrze” od 2018 r. uzyskano dotacje na 93,8 tys. pomp ciepła, a od początku 2022 r. do sierpnia 2022 udział pomp ciepła wśród urządzeń objętych dotacją wzrósł z ok. 17,5% do ponad 23,5% [3]. PORT PC podaje także, że w ciągu pierwszych 3,5 miesięcy trwania programu „Moje Ciepło”, który rozpoczął się w tym roku, złożono już 4,6 tys. wniosków na dofinansowanie montażu pomp ciepła dla nowych domów o podwyższonym standardzie energetycznym [2].

Widać także wpływ na rynek pomp ciepła planu RePowerEU, ogłoszonego 18 maja 2022 r. jako odpowiedź na agresję rosyjską na Ukrainę i poszukiwanie sposobów na uniezależnienie się od rosyjskiego gazu. RePowerEU zakłada stosowanie nowych, „samodzielnych” kotłów na paliwa kopalne (np. gazowych, węglowych i olejowych) najpóźniej do 2029 r. [4]. Po tej dacie dopuszczalne ma być stosowanie wysoko efektywnych rozwiązań hybrydowych, czyli pomp ciepła z kotłami gazowymi. Jak podkreśla w opracowywanym raz na kwartał raporcie z rynku instalacyjno-grzewczego Stowarzyszenie Producentów i Importerów Urządzeń Grzewczych (SPIUG), widać coraz większe zainteresowanie (kilkudziesięcioprocentowy wzrost rynkowy) układami hybrydowymi kotłów gazowych z pompami ciepła [5]. Takie rozwiązanie pozwala ograniczyć ilość spalanego gazu, gdyż kocioł gazowy działa tylko jako szczytowe źródło ciepła. W ofercie producentów pojawiają się pompy ciepła przygotowane do pracy hybrydowej – mogą one być wyposażone np. w zintegrowany sterownik zarządzający energią, który wybiera pracujące w danym momencie źródło ciepła nie tylko zgodnie z panującymi warunkami, ale też np. na podstawie ceny danego nośnika energii czy emisji CO₂.

Równolegle z dokumentami strategicznymi UE dotyczącymi m.in. dekarbonizacji i wpływającymi na rynek pomp ciepła pod względem ilościowym, funkcjonują akty prawne kształtujące ten rynek od strony stosowanych technologii.

Wpływ rozporządzenia F-gazowego na branżę pomp ciepła

Aktem prawnym, który w coraz większym stopniu wpływa i będzie wpływać na kierunki rozwoju technologii pomp ciepła, jest 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 [6], zwane rozporządzeniem F-gazowym. Do polskiego porządku prawnego zapisy tego rozporządzenia wprowadzone zostały przez ustawę o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych [7].

Rolą rozporządzenia F-gazowego jest zmniejszenie wpływu na klimat fluorowanych gazów cieplarnianych (F-gazów), do których należą gazy syntetyczne stosowane jako czynniki chłodnicze w technice chłodniczej, klimatyzacyjnej i pomp ciepła. Są to gazy o dobrych własnościach technicznych i użytkowych, cechują się jednak wysokim potencjałem tworzenia efektu cieplarnianego (GWP). Przykładowo szeroko stosowany w pompach ciepła czynnik R410A ma GWP równe 2088.

Jednym ze środków zapisanych w rozporządzeniu F-gazowym jest całkowite wycofywanie (phase out) czynników chłodniczych o wysokim GWP z niektórych branż lub grup urządzeń, zgodnie z określonym harmonogramem czasowym.

W latach 2020–2021 Komisja Europejska prowadziła zgodny z zasadami legislacji unijnej przegląd (revision) tego rozporządzenia [8], do 24 czerwca 2022 r. organizując burzliwe konsultacje społeczne propozycji nowelizacji. Nowe, już przyjęte zapisy mogą mieć znaczny wpływ na rozwój rynku pomp ciepła – pojawiły się w nich sformułowane wprost, wcześniej nieobecne, restrykcje dotyczące tych urządzeń.

Zobacz także: Jak przy montażu pompy ciepła w istniejącym budynku najefektywniej dostosować instalację grzewczą?

Nowe europejskie wymagania wobec pomp ciepła

Od 1 stycznia 2025 roku w nowych (wprowadzanych do obrotu) pompach ciepła typu split o pojemności czynnika chłodniczego poniżej 3 kg zakazane będzie stosowanie czynników chłodniczych o GWP > 750 [8]. Wcześniej zakaz ten dotyczył tylko klimatyzatorów [6].

Co więcej, już od 1 stycznia 2027 r. zakazem będą objęte następujące nowe urządzenia (podkreślenia redakcji) [8]:

Stacjonarne urządzenia klimatyzacyjne typu split i pompy ciepła typu split:

• (b) układy typu split o mocy znamionowej 12 kW lub mniejszej, które zawierają fluorowane gazy cieplarniane o GWP równym 150 lub większym lub których działanie jest od nich zależne, z wyjątkiem sytuacji, gdy jest to wymagane do spełnienia norm bezpieczeństwa;
• (c) układy typu split o mocy znamionowej powyżej 12 kW, które zawierają fluorowane gazy cieplarniane o GWP równym 750 lub większym lub których działanie jest od nich zależne, z wyjątkiem sytuacji, gdy jest to wymagane do spełnienia norm bezpieczeństwa.

W zapisach nowelizacji wśród urządzeń objętych restrykcjami pojawiła się także nowa kategoria. Są to pokojowe i inne samodzielne urządzenia klimatyzacyjne i pompy ciepła typu plug-in (plug-in room and other self-contained air-conditioning and heat pump equipment). Zapis ten dotyczy m.in. monoblokowych pomp ciepła. Od 1 stycznia 2025 r. na rynek nie będzie można wprowadzać nowych urządzeń z tej grupy zawierających fluorowane gazy cieplarniane o GWP równym 150 lub większym.

Dla rynku pomp ciepła oznaczać to może, szczególnie w najbliższych latach, rosnącą popularność urządzeń na czynnik R32 (difluorometan, CH₂F₂) – jednoskładnikowy czynnik o GWP równym 675. Jest to jeden z nielicznych czynników chłodniczych z grupy F-gazów, które od początku 2025 r. będą mogły być stosowane w nowych pompach ciepła split o napełnieniu poniżej 3 kg. Dzięki temu, że począwszy od 2017 r. stopniowo wdrażają go niemal wszyscy producenci klimatyzatorów, jest on dobrze znany i ma szanse na szersze zastosowanie, szczególnie w mniejszych pompach ciepła. R32 jest znany także branży chłodniczej, stanowi bowiem główny składnik mieszaniny tworzącej czynnik R410A. Jako samodzielny czynnik R32 cechuje się dobrymi cechami technicznymi, m.in. wymaga mniejszego napełnienia niż R410A. Dla urządzenia o tej samej wydajności chłodniczej potrzeba nawet o 15–30% czynnika R32 mniej. Ma lepszą przewodność cieplną i mniejszą lepkość, a zatem większą wydajność chłodniczą i efektywność energetyczną. Oznacza to również, że napełniona tym czynnikiem pompa ciepła może mieć klasę A+++. Stosowanie tego czynnika ułatwia też pracę instalatora. Ponieważ jest to czynnik jednorodny, można go ładować zarówno w stanie ciekłym, jak i gazowym, podczas gdy R410A – tylko w stanie ciekłym. Natomiast wcześniej nie był stosowany jako samodzielny czynnik ze względu na tzw. lekką palność.

Innym, jeszcze bardziej perspektywicznym czynnikiem, jest R454C (GWP = 146), stanowiący mieszaninę czynników R32 i R1234yf, stosowany obecnie w pompach ciepła tylko przez jednego dużego producenta. Cennymi własnościami użytkowymi pomp ciepła opartych na tym czynniku są także stosunkowo wysoki COP oraz możliwość przygotowania wody grzewczej o temperaturze nawet do 75°C bez dodatkowego źródła ciepła. Podobnie jak czynnik R32, również R454C cechuje się „lekką palnością”.

Zasadniczym ograniczeniem jest właśnie owa „lekka palność” obu czynników – klasa A2L zgodnie z normą PN-EN 378 [9]. Lekka palność nie stanowi problemu podczas normalnej, prawidłowej eksploatacji urządzenia, wymaga jednak stosowania odpowiednich środków ostrożności. Dotyczy to m.in. minimalnej wielkości obsługiwanego pomieszczenia, odpowiedniej wentylacji, detekcji nieszczelności czy reżimu prac instalacyjnych i konserwacyjnych.

Dysonans „niski GWP – wysoka palność” jest jednym z głównych problemów dla rozwoju techniki chłodniczej; przyszłościowy czynnik chłodniczy o przyszłościowym GWP równym 3 (propan, czyli R290) jest również gazem łatwopalnym.

Perspektywa rozwoju pomp ciepła na propan

Propan (C₃H₈) cechuje się wspomnianym niskim potencjałem globalnego ocieplenia. Urządzenia na ten czynnik nie podlegają ustawie F-gazowej [7]: nie dotyczy ich obowiązek kontroli szczelności ani obostrzenia wynikające z tej ustawy. Dzięki dobrym własnościom termodynamicznym propanu oparte na nim urządzenia mogą zapewnić temperaturę wody grzewczej na zasilaniu do 70°C (przy temperaturze zewnętrznej nawet do –10°C) oraz zużywać niewiele energii do zapobiegania zamarzaniu wymienników ciepła. Własności te pozwalają uzyskać dla pomp ciepła na R290 COP nawet o 20–40% wyższy niż w wypadku ich odpowiedników na czynniki syntetyczne. Zasadniczym wyzwaniem związanym z propanem pozostaje palność tego czynnika.

Jako czynnik łatwopalny propan zaliczany jest do substancji niebezpiecznych, a zawierające go urządzenia podlegają zapisom dyrektywy w sprawie urządzeń ciśnieniowych (Pressure Equipment Directive – PED) [10]. Muszą więc spełniać wyższe wymagania ciśnieniowe, aby zminimalizować prawdopodobieństwo wystąpienia awarii i wycieku czynnika chłodniczego.

Normą częściowo zharmonizowaną z tą dyrektywą jest PN-EN 378 [9]. Mówi ona m.in., że w strefie przebywania ludzi z normalną wentylacją naturalną można bez ograniczeń użytkować urządzenia o napełnieniu czynnikiem palnym (np. propanem) poniżej 150 gramów, fabrycznie napełnione i hermetycznie zamknięte. Natomiast dla urządzeń o większym napełnieniu norma określa pojęcie maksymalnego napełnienia czynnikiem roboczym, które oblicza się zgodnie ze wzorem:

gdzie:

m – maksymalne napełnienie instalacji czynnikiem roboczym, kg;

LFL – dolna granica wybuchowości, kg/m³ (dla propanu LFL=0,038 kg/m³);

h – wysokość zamontowania jednostki, m (0,6 m – podłogowa, 1,0 – okienna; 1,8 – ścienna; 2,2 – sufitowa);

A – powierzchnia podłogi, m².

Z tego względu pompy ciepła na propan przeznaczone dla mieszkalnictwa oferowane są najczęściej jako napełnione fabrycznie i hermetycznie zamknięte urządzenia monoblokowe w wykonaniu zewnętrznym. Maksymalne napełnienie czynnikiem chłodniczym zależy od klasy (dostępności) pomieszczenia, usytuowania komponentów instalacji chłodniczej względem przestrzeni użytkowej oraz kategorii systemu chłodniczego – w odniesieniu do tych czynników norma PN-EN 378 [9] przewiduje 18 ograniczeń napełnienia.

W konstrukcjach pomp ciepła z zastosowaniem czynników palnych uwzględnia się nie tylko odpowiednio niskie napełnienie czynnikiem chłodniczym, ale też środki bezpieczeństwa zapobiegające m.in. tworzeniu się atmosfery wybuchowej [11], a w praktyce – rozszczelnieniu układu chłodniczego, wycieku substancji palnej poza obręb systemu czy powstaniu warunków do zapłonu. Zwiększenie szczelności obudowy obejmuje m.in. ochronę przed uszkodzeniami mechanicznymi, zapobieganie drganiom i wibracjom urządzenia oraz zapobieganie rezonansowi rur. Większe urządzenia (napełnienie powyżej 2,5 kg czynnika) wymagają np. np. ogrodzenia z napisami „propan” i znakami ostrzegawczymi.

Pompy ciepła na propan nie muszą natomiast być urządzeniami zgodnymi ze standardem ATEX [12], ponieważ nie są przewidziane do pracy w atmosferach wybuchowych (w trakcie normalnego działania nie występuje atmosfera wybuchowa). Standard ATEX muszą jednak spełniać poszczególne podzespoły mające bezpośredni kontakt z czynnikiem chłodniczym, np. sprężarka.

Według opublikowanego w 2018 r. raportu unijnego projektu LIFE FRONT (Flammable Refrigerants Options for Natural Technologies), w Europie było ok. 25 firm oferujących pompy ciepła na propan przeznaczone dla budownictwa mieszkaniowego i przemysłu lekkiego, co więcej udział tych urządzeń w całkowitej produkcji zidentyfikowanych przedsiębiorstw był niewielki [13]. Producenci oferowali głównie pompy ciepła powietrze/woda (13 firm), woda/woda (5 firm) i solanka/woda (3 firmy). Respondenci ankiety przeprowadzonej na potrzeby tego raportu – a więc przedstawiciele producentów – ocenili ówczesną liczbę pomp ciepła na propan w Europie na 200–220 tys. urządzeń [13].

Opinie dotyczące cen pomp ciepła na propan w porównaniu do ich odpowiedników na czynniki z grupy F-gazów są zróżnicowane – można spotkać zarówno głosy twierdzące, że ceny pomp na R290 są „wyraźnie wyższe”, jak i „nieco wyższe” oraz „porównywalne”. Wyższy koszt początkowy ma być jednak zdaniem respondentów równoważony przez zyski energii, o ok. 6–25% wyższe niż w przypadku systemów na czynniki z grupy HFC. Zatem całkowity koszt cyklu życia dla pomp ciepła na propan może być „porównywalny”, albo „nieco niższy”, albo (zdaniem ok. 20% respondentów) „wyraźnie niższy” [13].

Producenci pomp ciepła na propan dążą do uzyskania jak najwyższych sprawności wymienników ciepła oraz wskaźników COP przy jak najmniejszym napełnieniu czynnikiem. Odpowiedni sposób rozprowadzenia czynnika chłodniczego w prototypowej konstrukcji pompy ciepła na R290 (w ramach projektu unijnego GreenHP) pozwolił zastosować mniejszy parownik o większej sprawności, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiego COP i niskiej emisyjności [13]. Znaczenie konstrukcji wymienników i rozprowadzenia w nich czynnika chłodniczego dla pracy całej pompy pokazuje także przykład prac jednej z polskich firm specjalizujących się w konstrukcji pomp ciepła na R290 [14]. Tworząc urządzenia o napełnieniu niższym niż 2,5 kg i COP do 4,78, producent skupił się przede wszystkim na parownikach i separatorach czynnika. Eksperci firmy wskazali, że odpowiednie rozwiązanie parownika musi uwzględniać wyrównywanie przepływu czynnika, który rozpręża się bardzo szybko. Wedle oceny firmy, optymalnym rozwiązaniem parownika dla pracy z propanem jest wymiennik „mokry” – rozwiązanie pośrednie między parownikiem zalanym (flooded) a parownikiem z odparowaniem bezpośrednim (DX). Zastosowane rozwiązanie pozwoliło m.in. o połowę zmniejszyć pojemność wymiennika [14].

W wymiennikach stosowanych w rozwiązaniach na propan stosuje się także (dotyczy to również wyników badań uzyskanych przez polskiego producenta) rurki miedziane z rowkowaniem wewnętrznym. W przypadku wymienników lamelowo-rurowych zastosowanie rurek z wewnętrznym rowkowaniem (mikrorowkowaniem, microgroove) pozwala ograniczyć napełnienie czynnikiem nawet o 22% w porównaniu do rurek gładkich [15]. Dzięki wewnętrznemu rowkowaniu rurki mogą mieć średnicę o 40% mniejszą niż ich gładkie wymienniki, co wpływa także na bardziej kompaktowe wymiary całego wymiennika i lepszą charakterystykę cieplną. Według przytaczanych polskich badań, ważne jest także zastosowanie odpowiedniej konstrukcji wymiennika ze zróżnicowaną geometrią lameli w jego poszczególnych segmentach, co pozwala skorygować i usprawnić przepływ powietrza [14].

Pompy ciepła na R744

Jednym z niewielu niepalnych, nietoksycznych i cechujących się niskim GWP czynników chłodniczych, który sprawdzi się także w pompach ciepła, jest dwutlenek węgla (R744) o GWP równym 1. Jako czynnik chłodniczy cechuje się wysoką efektywnością, ponieważ schładza się stopniowo (czyli bez skraplania) i zapewnia przygotowanie wody grzewczej o temperaturze ponad 60°C przy zachowaniu wysokiego współczynnika COP.

Specyfika dwutlenku węgla powoduje, że pracuje on pod bardzo wysokimi ciśnieniami, co oznacza konieczność zastosowania odpowiednich podzespołów (sprężarek, wymienników ciepła i chłodnic gazowych), wpływających na wysokie koszty pomp ciepła na R744 zarówno z punktu widzenia producenta, jak i odbiorcy końcowego. Dlatego najczęściej są one stosowane w dużych inwestycjach, np. w systemach ciepłowniczych – jak np. pompa o wydajności grzewczej 50 MW, która w duńskim porcie Ejsberg wytwarza ciepło systemowe z wykorzystaniem wody morskiej jako dolnego źródła ciepła [16]. Upowszechnienie pomp ciepła może wymagać dodatkowych programów wsparcia – dotacji i kredytów. Takie rozwiązanie zastosowała w 2002 r. Japonia, której rząd dotował rozwiązania „podnoszące niezależność energetyczną”, dzięki czemu w marcu 2016 r. liczba małych pomp ciepła na R744 przekroczyła 5 mln [17].

Biorąc pod uwagę ewolucję rynku pomp ciepła i postępujące zaostrzanie wymagań wobec czynników chłodniczych wpływających na klimat, w perspektywie kilkunastu lat można oczekiwać coraz większego udziału rynkowego pomp ciepła na tzw. czynniki naturalne, głównie R290 i R744, ze względu na ich niskie GWP. Segment pomp ciepła na R290 rozwija się w Polsce bardzo intensywnie – na rynku pojawiają się nie tylko urządzenia importowane, ale też rodzime, oferowane m.in. przez doświadczonych producentów kotłów na węgiel, odchodzących od wcześniejszej działalności i przestawiających produkcję na urządzenia pomagające realizować unijne i krajowe wymagania prawne.

Literatura

1. Statystyki. Centralna Ewidencja Emisyjności Budynków, https://www.gunb.gov.pl/strona/statystyki (dostęp 05.09.2022)
2. Ponad dwukrotny wzrost sprzedaży powietrznych pomp ciepła w I poł. 2022 roku!, https://portpc.pl/ponad-dwukrotny-wzrost-sprzedazy-powietrznych-pomp-ciepla-w-i-pol-2022-roku/ (dostęp: 5.09.2022)
3. Czyste Powietrze w liczbach, https://czystepowietrze.gov.pl/ (dostęp: 5.09.2022)
4. REPowerEU: przystępna cenowo, bezpieczna i zrównoważona energia dla Europy, https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal/repowereu-affordable-secure-and-sustainable-energy-europe_pl (dostęp: 5.09.2022)
5. Podsumowanie rynku urządzeń grzewczych w Polsce w II kwartale 2022, https://spiug.pl/2022/08/24/podsumowanie-rynku-urza%cc%a8dzen-grzewczych-w-polsce-w-ii-kwartale-2022/ (dostęp: 5.09.2022)
6. 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 nr L 150/195 z 20.05.2014)
7. Ustawa z dnia 15 maja 2015 r. o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych (t.j. DzU 2019, poz. 2158)
8. Wniosek Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych zmieniające dyrektywę (UE) 2019/1937 i uchylające rozporządzenie (UE) nr 517/2014. COM(2022) 150 final 2022/0099(COD), https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/HTML/?uri=CELEX:52022PC0150&from=EN (dostęp: 5.09.2022)
9. PN-EN 378 Instalacje chłodnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska
10. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2014/68/UE z dnia 15 maja 2014 r. w sprawie harmonizacji ustawodawstw państw członkowskich odnoszących się do udostępniania na rynku urządzeń ciśnieniowych (wersja przekształcona) (Dz.Urz. UE nr L 189/164 z 27.06.2014)
11. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 8 lipca 2010 r. w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy, związanych z możliwością wystąpienia w miejscu pracy atmosfery wybuchowej (DzU 2010, nr 138, poz. 931)
12. 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 nr L 96/309 z 29.03.2014)
13. Skačanová Klára et al., Impact of Standards on Hydrocarbon Refrigerants in Europe – Market research report, LIFE FRONT, 2018
14. Stausholm Tine, New Evaporator Design Helps Cut Charge, Boost COP of R290 Heat Pump, https://hydrocarbons21.com/new-evaporator-design-helps-cut-charge-boost-cop-of-r290-heat-pump/ (dostęp: 5.09.2022)
15. Allymehr Ehsan, Geir Skaugen, Torsten Will, Ángel Á. Pardiñas, Trygve M. Eikevik, Armin Hafner, Lena Schnabel, Numerical Study of Hydrocarbon Charge Reduction Methods in HVAC Heat Exchangers, “Energies” 14, no. 15: 480. https://doi.org/10.3390/en14154480
16. MAN Energy Solutions to deliver first cross-sectoral ETES Heat-Pump system, informacja prasowa firmy MAN Energy Solutions z 4.02.2021
17. Saito Kiyoshi, Task 1 Market Overview. Country Report Japan (Technology Collaboration Program on Heat Pumping Technologies). Heat Pump Centre, Boras 2019
18. Rozporządzenie Ministra Rozwoju z dnia 11 lipca 2016 r. w sprawie wymagań dla urządzeń ciśnieniowych i zespołów urządzeń ciśnieniowych (DzU 2016, poz. 1036)
19. Grzebielec Andrzej, Rusowicz Artur, Szelągowski Adam, Zastosowanie czynnika chłodniczego R290 (propan) w instalacjach klimatyzacyjnych typu split w aspekcie bezpieczeństwa przeciwwybuchowego, Zeszyty Nau­kowe SGSP nr 61 (tom 1)/2017