Funkcje i efektywność czynników chłodniczych w pompach ciepła

Pompy ciepła są na rynku od wielu lat, jednak dopiero od niedawna zyskują coraz większą popularność oraz zaufanie wśród użytkowników. Obecne trendy wskazują, że w przyszłości technologia ta będzie jednym z głównych sposobów ogrzewania budynków. Na prawidłowe i efektywne działanie pomp ciepła mają wpływ m.in. odpowiednio dobrane czynniki chłodnicze.

Spis treści

1. Funkcje i wymagania dla czynnika chłodniczego
2. Wpływ na środowisko
3. Popularne czynniki chłodnicze HFC/HFO
4. Porównanie efektywności czynników chłodniczych

Funkcje i wymagania dla czynnika chłodniczego

Czynnik chłodniczy to substancja, medium, potocznie nazywana freonem, która znajduje się wewnątrz układu chłodniczego. Należy pamiętać, że słowo „freon” jest nazwą zastrzeżoną przez jednego z producentów tego rodzaju substancji, jednak określenie to przyjęło się w języku potocznym.

Czynnik chłodniczy jest niezbędny do poprawnej pracy pompy ciepła. W uproszczeniu można napisać, że jest substancją roboczą, która wskutek występowania procesów skraplania i parowania wewnątrz układu pośredniczy w wymianie energii cieplnej pomiędzy dolnym i górnym źródłem ciepła.

Ciepło pobierane jest z dolnego źródła, podczas wrzenia czynnika w parowniku w niskiej temperaturze i pod niskim ciśnieniem, a następnie przekazywane do górnego źródła w skraplaczu w procesie skraplania.

Proces skraplania przebiega pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze. W celu wyjaśnienia, dolne źródło ciepła w pompie ciepła to ośrodek, z którego pobierane jest energia cieplna. Może nim być powietrze, woda lub grunt. Określa ono tym samym rodzaj pompy: powietrzna, wodna, gruntowa (solankowa). Górne źródło to otoczenie, które odbiera przetransportowane ciepło. Zazwyczaj jest nim centralne ogrzewanie lub zbiornik ciepłej wody użytkowej.

W zależności od parametrów pracy układu chłodniczego, ciśnienia i temperatury, czynnik chłodniczy występuje w różnym stanie skupienia, w postaci cieczy lub gazu. Jego właściwości fizyczne określają zakres temperatury i zastosowanie w pompach ciepła.

W przypadku powietrznych pomp ciepła ważne jest, aby czynnik chłodniczy miał niską temperaturę wrzenia, czyli aby mógł przechodzić ze stanu ciekłego w gazowy w niskich temperaturach otoczenia. Mówiąc prościej – aby gotował się w ujemnych temperaturach. Jeśli pompa ciepła ma pracować przy temperaturze otoczenia –25°C, to temperatura wrzenia musi być poniżej –30°C.

Dodatkowe wymagania to: niepalność, nietoksyczność, łatwa dostępność, niski koszt wytworzenia, brak oddziaływania z materiałami stosowanymi do budowy pomp ciepła.

Wpływ na środowisko

Oprócz własności fizykochemicznych również ważnym aspektem jest wpływ czynnika chłodniczego na środowisko. Do oceny tej należą wskaźniki ekologiczne, które opisują jego oddziaływanie na atmosferę ziemską.

Jednym z nich jest współczynnik GWP (Global Warming Potential) oznaczający potencjał do tworzenia efektu cieplarnianego. Punktem odniesienia jest w jego przypadku dwutlenek węgla dla którego wartość GWP = 1, a okres oddziaływania czasowego zwykle przyjmuje się jako 100 lat.

Kolejny wskaźnik to ODP (Ozone Depletion Potential). Określa wpływ danej substancji na rozkład warstwy ozonowej zawartej w atmosferze ziemskiej. Wartość współczynnika ODP odniesiona jest do czynnika chłodniczego R11, dla którego ODP = 1. Pod względem ekologicznym najlepsze są czynniki, dla których wartość ODP = 0 oraz GWP ≈ 0, lub te pochodzenia naturalnego.

Ze względu na regulacje prawne i dążenie do spełnienia założonych celów na lata 2030 oraz 2050 podczas wyboru czynnika powinno się brać pod uwagę poniższe aspekty:

• oddziaływanie na środowisko: obojętny dla środowiska naturalnego, niska lub zerowa liczba GWP, zerowa wartość współczynnika ODP;
• bezpieczeństwo pracy instalacji: nietoksyczny, niepalny;
• własności termodynamiczne: niska normalna temperatura wrzenia, wysoka temperatura krytyczna, mała objętość właściwa, znikoma rozpuszczalność w wodzie, rozpuszczalność z olejami chłodniczymi, własności techniczne: umiarkowane ciśnienia pracy;
• kryteria ekonomiczne: niski koszt jednostkowy, niski koszt wytwarzania, dostępność na rynku w celach serwisowych.

Znalezienie odpowiedniego czynnika, który miałby wszystkie wyżej wymienione cechy, jest bardzo trudne.

Przeczytaj również:

• Rodzaje i właściwości czynników chłodniczych stosowanych w pompach ciepła

Popularne czynniki chłodnicze HFC/HFO

Obecnie w pompach ciepła wykorzystuje się różne czynniki chłodnicze. Do najpopularniejszych, stosowanych w pompach ciepła, należą R134a, R410A, R407C, R32. Zalicza się je do grupy czynników HFC, czyli wodorofluorowęglowodorów. Zostały wprowadzone do użytku jako zamiennik freonu R12 oraz R22. Jednak ze względu na przepisy prawne oraz rozporządzenia Parlamentu Europejskiego zostaną w niedalekiej przyszłości wycofane z użytku. Podlegają one przepisom ustawy F-gazowej, która wprowadza zakazy stosowania czynników chłodniczych o dużych liczbach GWP.

Przykładowo od roku 2020 nie można wprowadzać do obrotu urządzeń chłodniczych stacjonarnych napełnionych czynnikiem HFC, który ma współczynnik GWP ≥ 2500 (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).

W myśl ustawy F-gazowej urządzenia, które zawierają w sobie czynniki HFC, mogą być instalowane przez osoby posiadające certyfikat F-gazowy. Ten przepis dotyczy montażu pomp ciepła typu split, w przypadku wersji typu monoblok certyfikat nie jest wymagany. Podobnie jest w odniesieniu do serwisu i ingerencji w układ chłodniczy urządzenia. Dodatkowo należy pamiętać, że modele zawierające fluorowane gazy cieplarniane (F-gazy) podlegają okresowej kontroli szczelności. Dokumentacja z tych czynności jest rejestrowana w elektronicznej bazie danych CRO (Centralny Rejestr Operatorów).

Aby określić, czy dana pompa ciepła podlega okresowej kontroli szczelności, należy sprawdzić na jej tabliczce znamionowej lub wyznaczyć wartość ekwiwalentu CO2, która zależy od rodzaju zastosowanego czynnika chłodniczego i napełnienia instalacji chłodniczej. Rejestracji podlegają tylko urządzenia, dla których współczynnik ekwiwalentu CO2 oznaczany jako „CO2 eq” przekracza 5 t dla urządzeń niehermetycznie zamkniętych lub 10 t dla urządzeń hermetycznie zamkniętych.

Przykładowe maksymalne napełnienia dla pomp ciepła, które zawierają F-gazy i nie będą wymagały okresowej kontroli szczelności oraz rejestracji w CRO, przedstawiono w tabeli 1.

Porównanie efektywności czynników chłodniczych

Do porównywania efektywności pompy ciepła służy współczynnik COP (Coefficient of Performance), określany jako stosunek mocy grzewczej do pobranej energii elektrycznej. Wyznacza się go na podstawie normy PN-EN14511. Parametr ten określa efektywność urządzenia w danych warunkach pracy, najczęściej dla powietrznych pomp ciepła są to warunki A7/W35, tzn. praca przy temperaturze zewnętrznej powietrza (Air) 7°C dla osiągnięcia wyjściowej wartości temperatury wody grzewczej (Water) równej 35°C.

Kolejny współczynnik, który można wykorzystać do porównania efektywności pompy ciepła, to SCOP (Seasonal Coefficient of Performance), czyli sezonowy współczynnik efektywności pompy ciepła, uwzględniający zużycie dodatkowej energii elektrycznej w sezonie, np. grzałki elektrycznej, automatyki, pomp obiegowych itp. Jest zależny od obciążenia cieplnego budynku, temperatury obliczeniowej i strefy klimatycznej. Niestety nie ma idealnego sposobu porównania pomiędzy sobą pomp ciepła.

Czy efektywność pompy ciepła zależy od czynnika ciepła? Na to pytanie nie da się łatwo odpowiedzieć. Na pewno zależy od rodzaju czynnika, ale nie można tego porównać w prosty sposób. Wraz ze zmianą czynnika chłodniczego zmieniają się też pozostałe komponenty chłodnicze, w tym sprężarka, która zużywa energię elektryczną, co z kolei wpływa na wyznaczanie parametru COP. Zmieniają się parametry termodynamiczne, takie jak wydajność jednostkowa czynnika chłodniczego, gęstość czynnika itp., które wpływają na pracę obiegu. W celu sprawdzenia, jak czynnik może oddziaływać na wartość współczynnika COP, założono parametry pracy układu i dokonano analizy teoretycznej czystego obiegu chłodniczego.

W tabeli 2 przedstawiono parametry pracy układu, natomiast na rysunku poniżej przedstawiono zmiany współczynnika COP w zależności od rodzaju czynnika.

Porównując otrzymane parametry pomiędzy czynnikami, które były stosowane wcześniej, a proponowanymi zamiennikami, zauważalna różnica między nimi nie jest większa niż ± 4%. Jak widać, rodzaj zastosowanego czynnika chłodniczego nie może służyć do określania i porównywania między sobą efektywności pompy ciepła.

Użytkownik musi być świadomy, że współczynniki odniesione są do warunków testowych określonych w normie, a zatem w normalnym użytkowaniu mogą się różnić. Jest bardzo dużo zmiennych parametrów, które wpływają na pobór mocy elektrycznej pompy ciepła. Każdy przypadek powinien być analizowany odrębnie i pod oczekiwania klienta.