Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) Nr 517/2014 obowiązujące w sposób wiążący na całym terenie Unii Europejskiej wprowadza zakazy stosowania, niektórych czynników chłodniczych w określonych typach urządzeń i instalacji oraz limity ilościowe dotyczące wprowadzania do obrotu czynników chłodniczych. Wymusi ono szerokie stosowanie w instalacjach chłodniczych czynników o niższym GWP. 

Celem rozporządzenia (UE) Nr 517/2014 jest ochrona środowiska poprzez zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych. Zmniejszenie emisji planuje się osiągnąć zastępując obecnie stosowane czynniki chłodnicze o dużym potencjale tworzenia efektu cieplarnianego (wysokie wartości współczynnika GWP) czynnikami o niskim GWP.

W związku z tym od 1 stycznia 2020 roku zabronione będzie stosowanie czynników chłodniczych charakteryzujących się GWP równym lub wyższym niż 2500 do serwisowania lub konserwacji urządzeń chłodniczych o napełnieniu ponad 40 ton ekwiwalentu CO₂. W konsekwencji zakaz serwisowania obejmie każdą instalację z napełnieniem ponad 10,2 kg dla R404A czy 10,04 kg dla R507.

Zakazane będzie również od 1 stycznia 2020 wprowadzanie do obrotu (instalowanie) stacjonarnych urządzeń chłodniczych (instalacji) zawierających czynnik o GWP>=2500.

Dodatkowo, każdy producent oraz dystrybutor czynników chłodniczych w Unii Europejskiej otrzymał kwotę (przydział) czynników chłodniczych, które wolno mu wprowadzić do obrotu w danym roku. Kwota jest określona w tonach CO₂. Konkretne czynniki chłodnicze są wliczane do kwoty według współczynnika GWP. Innymi słowy jeżeli czynnik R404A ma GWP=3922, a R407F GWP=1674 [1] to sprzedaż 1 kg R404A „uszczupla” kwotę (pulę przydziału) danego dystrybutora czy producenta o 3,922 tony CO₂ podczas gdy sprzedaż 1 kg R407F tylko o około 1,674 tony CO2.Kwoty te co kilka lat będą zmniejszane co zmusi producentów i dystrybutorów do oferowania i promowania czynników o niższym GWP. W roku 2018 redukcja kwoty w stosunku do roku obecnego wyniesie aż 37%!

Opisane powyżej zmiany legislacyjne doprowadzą w krótkim okresie czasu do zniknięcia z rynku powszechnie dotychczas stosowanych czynników R404A/507. Zapowiedzią tego procesu są obserwowane w bieżącym roku dynamiczne wzrosty cen tych czynników chłodniczych.

Z powyższych względów firma Emerson od kilku lat uwzględnia w swoich wyrobach możliwość pracy z wieloma czynnikami o niższym GWP.

Czynniki chłodnicze o GWP<2500

Spośród czynników o GWP niższym niż 2500 powszechnie proponowane są obecnie R407F/A, R448A/449A, R513A/450A. Czynniki R407F/A, R448A/449A pod względem ciśnień pracy i wydajności są zbliżone do R404A/507, natomiast czynniki R513A/450A do R134a.

Czynniki R407F/A, R448A/449A opracowano tak by jak najbardziej przypominały R404A/507, niemniej różnią się one niektórymi własnościami. Najważniejsza różnica, z punktu widzenia producenta agregatów chłodniczych, to wyższa temperatura końca sprężania (tłoczenia).

Jednym z limitów określających zakres pracy sprężarek jest maksymalna temperatura tłoczenia, której przekroczenie grozi utratą własności smarnych oleju zawartego w czynniku chłodniczym na skutek jego degradacji termicznej. Produkty rozkładu oleju osadzają się na elementach sprężarki i rurociągów w postaci przypominającej sadzę. „Spalony” olej krąży również w instalacji, dostaje się do łożysk sprężarki i powoduje ich przyspieszone zużycie. Temperatura tłoczenia dla danej sprężarki pracującej z danym czynnikiem zależy głównie od sprężu, czyli od stosunku ciśnień skraplania i parowania. Dla danej temperatury parowania spręż rośnie wraz ze wzrostem temperatury skraplania zależnej od temperatury otoczenia. Czynniki R407F/A, R448A/449A charakteryzują się temperaturą tłoczenia wyższą o 15÷30K od R404A/507 dla pracy w zakresie średniotemperaturowym i o 50÷60K w zakresie niskotemperaturowym. Czynniki R407F/A, R448A/449A osiągają graniczną temperaturę tłoczenia przy niższej temperaturze skraplania, a zatem i otoczenia. W okresie letnim może to prowadzić do przekroczenia maksymalnej temperatury tłoczenia i uszkodzenia sprężarki. Mechanizm ten powoduje ograniczenia obszaru pracy (maksymalnej temperatury skraplania) średniotemperaturowych agregatów pracujących z czynnikami R407F, R448A/449A zwłaszcza w zakresie niższych temperatur parowania (rys. 1.). W przypadku agregatów niskotemperaturowych, o typowej konstrukcji, ich praca może być w ogóle niemożliwa w naszym klimacie.

Rys. 1. Ograniczenie obszaru pracy sprężarki średniotemperaturowej po zmianie czynnika z R404A na R407F (obszar szary) 

Agregaty Emerson EazyCool ZX

Emerson EazyCool ZX to rodzina urządzeń obejmująca agregaty średniotemperaturowe o stałej i zmiennej wydajności oraz niskotemperaturowe. Są one dopuszczone do pracy z wieloma czynnikami chłodniczymi o GWP poniżej 2500 (tabela 1). Dzięki temu firma instalacyjna ma dużą swobodę i może elastycznie dostosować się do zmiennego rynku czynników chłodniczych.

Tabela 1. Czynniki o GWP

Jak było to opisane wcześniej czynniki R407F/A, R448A/449A charakteryzują się dużo wyższą temperaturą tłoczenia niż R404A/507. Możliwość stosowania szerokiej palety tych czynników w agregatach EazyCool ZX jest możliwa dzięki unikatowym rozwiązaniom technicznym.

W agregatach średniotemperaturowych sterownik agregatu (rys. 3.) na bieżąco monitoruje temperaturę tłoczenia. Jeżeli ta temperatura osiągnie określony poziom to sterownik najpierw podnosi do maksimum obroty wentylatora skraplacza, w celu obniżenia temperatury skraplania, a następnie rozpoczyna wtryskiwanie czynnika chłodniczego na ssanie sprężarki po przez elektroniczny, krokowy zawór rozprężny (nr. 5 na rys. 2.). Zdławiony czynnik miesza się w rurze ssawnej z czynnikiem z parownika i odparowuje wpływając na przegrzanie. Przegrzanie czynnika, obok sprężu, decyduje o temperaturze tłoczenia. Na rysunku 4. widać jak zmniejszenie przegrzania SH1 do wartości SH2 powoduje obniżenie temperatury na koniec procesu sprężania z T1 do T2. Przegrzanie czynnika wynika z pracy zaworu rozprężnego parownika i zysków ciepła w rurociągu ssawnym. W instalacjach sklepowych łączne przegrzanie na wejściu do sprężarki waha się w przedziale 15÷25K i silnie podnosi temperaturę tłoczenia. Odpowiednio sterując wtryskiem czynnika można znacznie zredukować przegrzanie czynnika chłodniczego na wejściu do sprężarki. Automatycznie obniża się temperatura tłoczenia.

Rys. 2. Schemat agregatu Emerson ZXME

Rys. 3. Sterownik agregatów EazyCool ZX

Możliwość ograniczenia temperatury tłoczenia pozwala na pracę agregatów średniotemperaturowych EazyCool ZXME oraz Digital ZXDE (z płynną regulacją wydajności) w bardzo szerokim zakresie pracy przy temperaturach otaczającego powietrza atmosferycznego dochodzących do +50°C.

Czynniki o GWP niższym niż 2500 takie jak omawiane R407F/A, R448A/449A stanowią duże wyzwanie w agregatach niskotemperaturowych. Nawet z dotychczasowymi czynnikami R404A/507 podczas pracy przy odparowaniu -35°C, jakie jest niezbędne w meblach mroźniczych, w trakcie lata, w wielu instalacjach temperatury tłoczenia dochodziły do 110÷130°C. Czynniki R407F/A, R448A/449A powodują podniesienie tej temperatury do nieakceptowanego poziomu.

Rys. 4. Obniżenie temperatury tłoczenia na skutek obniżenia przegrzania

Rys. 5a. Agregat ZXDE050E w punkcie pracy to=-10°C, temperatura otoczenia +50°C, R407F

Rys. 5b. Agregat ZXME075E w punkcie pracy to=-10°C, temperatura otoczenia +49°C, R448A/449A

Firma Emerson znalazła rozwiązanie dla tego trudnego zagadnienia. Agregaty niskotemperaturowe Emerson EazyCool ZXLE pracują według obiegu dwustopniowego z chłodzeniem podczas sprężania (system wtrysku pary EVI). Czynnik zasysany jest do sprężarki (rys. 6., punkt 1) i następuje jego sprężanie. W punkcie 2 do częściowo sprężonego, gorącego już gazu, wtryskiwany jest zimniejszy gaz (punkt 7). Powstała mieszanina ma temperaturę niższą niż w punkcie 2. Czynnik jest nadal sprężany do punktu 3. Dzięki temu temperatura tłoczenia w punkcie 3 jest niższa niż w przypadku sprężania w jednym stopniu bez chłodzenia (punkt 3’). Zimny gaz powstaje w dodatkowym wymienniku ciepła, ekonomizerze (nr 5. na rys. 7.), zamontowanym na rurze płynowej. Określona ilość ciekłego czynnika jest w nim odparowywana przy pomocy ciepła z rurociągu płynowego.

Rys. 6. Obiegu agregatu niskotemperaturowego EazyCool ZXLE

Rys. 7. Schemat agregatu niskotemperaturowego EazyCool ZXLE

W przypadku czynników R407F/A, R448A/449A jednak nawet takie rozwiązanie jak wtrysk pary (EVI) jest niewystarczające. Na rysunku 8. można zaobserwować, że sprężarka z układem wtrysku pary (EVI), dla czynnika R407F w zakresie niskich temperatur parowania np. to= -35°C ma maksymalną temperaturę skraplania tylko + 35°C. Przekłada się to na temperaturę otoczenia nie wyższą niż +25°C. Oznaczało by to wyłączanie z pracy agregatu przy umiarkowanych temperaturach otoczenia.

Dla czynników R407F/A, R448A/449A opracowano więc technologię łączącą wtrysk pary (EVI) z wtryskiem cieczy. Sterownik Agregatu EazyCool ZXLE może zmienić tryb sterowania elektronicznym zaworem rozprężnym ekonomizera. W trybie podstawowym (wtrysku pary) otwarcie zaworu utrzymywane jest tak by zapewnić przegrzanie czynnika na wyjściu z ekonomizera (nr 5 na rys. 7.). Z ekonomizera do sprężarki dopływa „zimna” para przegrzana, która chłodzi czynnik będący w trakcie sprężania.

W drugim trybie (wtrysku pary i wtrysku cieczy) otwarcie zaworu rozprężnego jest zwiększane tak, że do sprężarki jest wtryskiwana para mokra z kroplami cieczy. Gaz podczas sprężania jest chłodzony sumarycznym efektem wtrysku pary oraz cieczy. Krople czynnika odparowując zwiększają intensywność chłodzenia sprężanego gazu. To unikatowe rozwiązanie pozwala na pracę agregatów Emerson EazyCool ZXLE z czynnikami R407F/A, R448A/449A w temperaturach otoczenia do +40°C.

Rys. 8 Obszar pracy sprężarki z wtryskiem pary (EVI) dla R407F

Rys. 9. Agregat ZXLE060E w punkcie pracy to= -35°C, temperatura otoczenia +40°C, R407F

Można zadać pytanie czy agregat chłodniczy pracujący w naszym umiarkowanym klimacie musi dysponować możliwością pracy w tak ekstremalnych temperaturach otoczenia jak +40°C czy +50°C? Praktyka pokazuje, że musi. Coraz więcej agregatów chłodniczych jest montowanych w obszarach gęstej zabudowy miejskie. Wymusza to posadowienie agregatów w miejscach bardzo niedogodnych dla ich pracy. Typowe przykłady to dachy kryte papą, piętra techniczne bez wentylacji, strychy i piwnice, schowki pod schodami, ciasne załomy budynków lub przestrzenie ograniczone banerami reklamowymi czy żaluzjami maskującymi. We wszystkich tych miejscach panują dużo wyższe temperatury niż kilka metrów dalej w wolnej przestrzeni.

Podsumowanie

Przepisy rozporządzenia (UE) NR 517/2014 wymuszą bardzo szybkie odejście od stosowania powszechnych dotychczas R404A/507 na rzecz czynników o GWP<2500 np. R407F/A, R448A/449A. Czynniki te, choć podobne pod względem części parametrów, nastręczają jednak problemów technicznych producentom agregatów chłodniczych ograniczając obszar pracy urządzeń, a w przypadku niektórych konstrukcji wręcz ją uniemożliwiają.

Rys. 10. Agregat Emerson EazyCool zamontowany na dachu pokrytym papą

Rys. 11 Agregat Emerson EazyCool zamontowany w pomieszczeniu w „towarzystwie” klimatyzatorów

 Rys. 12. Emerson EazyCool ZX

Nie dotyczy to agregatów Emerson EazyCool ZX, które dzięki unikatowym rozwiązaniom technicznym radzą sobie z własnościami czynników chłodniczych R407F/A, R448A/449A. Sterownik agregatu elastycznie dostosowuje pracę urządzenia do własności danego czynnika chłodniczego. Daje to możliwość pracy agregatów EazyCool ZX w ekstremalnych temperaturach otoczenia, które występują podczas pracy w środowisku miejskim. Dodatkowo charakteryzują się one również bardzo cichą pracą, szeregiem zabezpieczeń i łatwością obsługi.

mgr inż .Krzysztof DUNOWSKI
– Sales Engineer CEE North,
Emerson Electric Poland Sp. z o.o.

[1] Materiały firmy Honeywell
[2] Materiały firmy Emerson Climate Technologies