Dopad výměny ekologických chladiv na chladicí techniku

Úvod

Princip chladicího cyklu je již po dlouhou dobu využíván v celé řadě technických zařízení, ať už jsou to samotné klimatizační a chladicí zařízení, tak i tepelná čerpadla, chladničky a řada dalších aplikací. Tyto jsou pak využívány v mnoha odvětvích lidské činnosti, ve velké míře jsou to systémy chlazení technologií pro průmyslové aplikace, výroba a skladování potravin, příprava léčiv a v neposlední řadě také nacházejí uplatnění ve zlepšení kvality vnitřního prostředí v občanských stavbách. Proto každá změna týkající se chladicí techniky nepřímo ovlivní celou řadu jiných profesí.

V návaznosti na dodržování nařízení EU o látkách poškozujících ozónovou vrstvu a s ním souvisejících zákonů a vyhlášek ČR již není možné při údržbě či opravě chladicích nebo klimatizačních zařízení používat uhlovodíky obsahující chlor. Jako možnost pro starší a stále funkční zařízení se nabízí náhrada původních chladiv za některé z široké škály jejich ekologických nástupců. Tato skutečnost s sebou ale přináší často jednak snížení chladicích a topných výkonu zdrojů chladu, respektive tepelných čerpadel, ale také zvýšení potřeb elektrické energie a to v důsledku horších tepelně technických vlastností náhradních chladiv.

Změny za zlepšení kvality životního prostředí

V několika posledních desetiletích se lidstvo začalo zabývat zlepšením kvality životního prostředí a nápravou škod způsobených přírodě lidskou činností. Tomuto procesu se nevyhnula ani chladicí technika, která v minulosti využívala pro své cykly chladiva s velmi neblahým účinkem na ovzduší. Unikající chladiva nabourávala svým rozpadem v atmosféře ozónovou vrstvu planety, mnoho chladiv se navíc chová jako skleníkové plyny, a to mnohem výrazněji než CO₂, a nepříjemně tak ovlivňují globální oteplování. Proto v programu OSN na ochranu životního prostředí byla podepsána v minulých letech řada dohod, mimo jiné to byly Vídeňská dohoda o ochraně životního prostředí (1987) a Montrealský protokol s jeho Londýnským a Kodaňským dodatkem. Na jejich základě byly stanoveny termíny pro omezení a následné ukončení používaní látek poškozujících ozónovou vrstvu. Tato skutečnost se bezesporu dotkla používaných pracovních látek chladicích okruhů, do té doby pro své výhodné tepelně technické vlastnosti hojně používaných, halogenových uhlovodíků aj. V duchu mezinárodních úmluv byly sepsány legislativní nařízení:

• Nařízení EU č. 1005/2009 – Nařízení Evropského parlamentu a rady o látkách, které poškozují ozónovou vrstvu
• s ním pro ČR související Zákon č. 483/2008 – O ochraně ovzduší
• a jeho prováděcí vyhláška č. 279/2009

Proto bylo nutné začít vyvíjet nová chladiva s příznivějším vztahem k životnímu prostředí. Jako ekologické náhrady původně používaných chladiv jsou vyráběna chladiva alternativní. Ta jsou nejčastěji vyráběna jako směsi několika jednosložkových chladiv o různých poměrech. I přes snahu dosáhnout mísením co nejlepších vlastností se od původních chladiv v různých ohledech více či méně liší, ať už přímo v tepelně technických parametrech, tak i v pracovních teplotách a tlacích. Tento fakt tedy přímo ovlivňuje výkon jak chladicích zařízení, tak tepelných čerpadel, které jsou ve velké části navržené pro práci s původními chladivy.

Dopad na chladicí techniku

Úplným zákazem používání některých chladiv tedy vyvstal problém, co s původními a stále funkčními chladicími systémy. Výměna celého strojního zařízení by hlavně u velkých systémů byla zbytečně nákladná, a tak se jako nejlepší řešení pro zachování původních zařízení jeví použití ekologických chladiv.

Změna chladiva v okruzích je tedy prováděna hlavně z důvodu ekologických, neboť v minulosti používaná chladiva se vyznačovala výjimečně dobrými tepelnými parametry a vyrovnání se jejich vlastnostem se doposud nepodařilo plně docílit, což má za následek změny chladicích výkonů zařízení. Dalším negativním jevem spojeným se změnou chladiva je mnohdy nutnost výměny strojních části chladicího okruhu. To vyplývá z jiných tlakových poměrů, při kterých pracují alternativní chladiva, a vede např. k výměně kompresorů, což se kvůli rozdílnému chemickému složení neobejde ani bez výměny drahých maziv. Rozsah změn se odvíjí od použité procedury výměny chladiva. Pokud se jedná spíše o dočasnou variantu, je možné použít proceduru drop-in, při které jsou zásahy do chladícího okruhu minimální. Náročnější procedura retrofit už vyžaduje větší zásahy a neobejde se bez vícenásobné výměny maziva. Dalším problémem vyskytujícím se u alternativních chladiv je tzv. teplotní skluz (glide), což souvisí s výrobou a tedy s tím, že se jedná o vícesložkové směsi chladiv. Teplotní skluz se pak projevuje nekonstantními teplotami vypařování a kondenzace. Velkým přínosem nově používaných chladiv je však jejich bezpečnější provoz. Řada v minulosti používaných chladiv představovala značné riziko díky své velké jedovatosti a časté vysoké hořlavosti a výbušnosti.

Hospodárnost chladících zařízení

Teplo, dle druhého zákonu termodynamiky, nemůže samovolně přecházet z chladnějšího tělesa na těleso teplejší. Chladicí zařízení je však systém, který dodáním energie (například elektrické) převede teplo z místa chladnějšího do teplejšího. K hodnocení hospodárnosti chladicích zařízení a efektivnosti využití dodané energie se užívá chladicího faktoru (COP).

Chladicí faktor je závislý na rozdílu teplot, při kterém je teplo odnímáno, a také na teplotě, při které je teplo předáváno. To znamená, že chladicí faktor při konstantní vypařovací teplotě s klesající teplotou kondenzace stoupá. Pro energetické zhodnocení chladícího cyklu potom platí:

Na základě Carnotova cyklu lze dále vyjádřit:

Graf 1: Příklad průběhu chladicího výkonu chladicího zařízení v závislosti na změně kondenzační a vypařovací teploty

kde je

Q_v

… teplo přijaté výparníkem [W]

P

… nutná práce kompresoru [W]

T_O

… teplota vypařovací

T_K

… teplota kondenzační

Obdobný princip platí i pro topný faktor tepelných čerpadel využívajících pro svou práci chladicích okruhů. Pro topný výkon čerpadla Q_T ale platí, že ideálně je roven součtu tepla přijatého výparníkem Q_O a výkonu dodaného kompresorem P_el.

Závislost tepelného a chladicího faktoru na teplotách vypařovacích a kondenzačních je patrný z Grafu 1. Pro udržení hospodárného provozu klimatizačního zařízení nebo tepelného čerpadla je tedy nezbytné stanovit rozumné meze vypařovací respektive kondenzační teploty, jinak by bylo nutné navrhovat výměníky tepla o příliš velkých teplosměnných plochách, a tím by i nepřiměřeně rostly pořizovací náklady. Chladicí cyklus by navíc musel pracovat s vyššími tlakovými poměry, vlivem čehož by se značně zvyšovala nutná práce kompresoru spojená i s vyšší výtlačnou teplotou.

Ověření dopadu náhrady ekologického chladiva

Dopad výměny chladiva R22 za R417a na činnost a výkon zařízení jsme experimentálně ověřili na chladicím systému split. Úkolem experimentu bylo zkoumání změn práce chladicího okruhu při použití náhradního chladiva. Předmětem experimentu byl reálný fyzický model školní laboratoře Ústavu technických zařízení budov na fakultě stavební v Brně. Laboratoř, jež je vybavena řadou technických zařízení, poskytla pro účely pokusu klimatizační jednotku typu split – dělený okruh. Pokusné zařízení sestávalo z jedné venkovní jednotky a jedné jednotky vnitřní. Vnitřní jednotka byla v podstropním provedení pro cirkulační provoz vnitřního vzduchu v místnosti. Venkovní jednotka byla umístěna na střeše budovy a byla spojena s vnitřní jednotkou izolovaným chladivovým potrubím. Celý systém byl původně navržen pro dnes již zakázané chladivo R22, proto byla použita ekologická náhrada, směsné chladivo R417a.

Obr. 1: Orientační model zkoumaného systému a fotografie obou jednotek

Systém split umožňoval práci v obou režimech, tedy chlazení i topení. Proto experiment probíhal v průběhu celého roku, tak aby byl postihnut jak letní, tak zimní extrém. Pro měření zkoumaných veličin okruhu bylo chladivové potrubí osazeno dvěma tlakoměry a pro měření teplot venkovního vzduchu, vnitřního vzduchu a vzduchu uvnitř jednotky bylo osazeno 8 snímači teplot. Cílem experimentu bylo pochopení práce systému, stanovení jeho účinnosti spolu s dalšími provozními parametry.

Srovnání chladiv

Zařízení bylo původně navrženo pro chladivo R22 (monochlordifluormetan). Jedná se o halogen derivát metanu (HCFC) a jako takový je zakázán pro svůj špatný vliv na ozónovou vrstvu. Ve zkoumaném zařízení bylo nahrazeno ekologickou náhradou R417a s nulovým potenciálem ODP. R417a bylo primárně vyvinuto jako náhrada za R22 pro potřeby klimatizací. Jde o zeotropní třísložkovou směs (46,6 % R-125, 50 % R-134a, 3,4 % R-600) vyznačující se teplotním skluzem okolo 7 K. R417a je používáno jak při proceduře drop in, tak i retrofit. Může pracovat s minerálními oleji, a tak se může používat jak v systémech s kapilárou a tryskou, tak i s expanzním ventilem. Je tedy vhodný jak do nových, tak do stávajících zařízení bez nutnosti výměny drahých polioil-esterových olejů.

Obr. 2: Přibližný chladicí cyklus zařízení stanovený z naměřených dat

Z tabulky tab. 1. je patrné, že jsou si obě chladiva svými vlastnostmi velice podobná, a tedy ekologické chladivo R147a je vhodnou náhradou chladiva R22. V jistých tepelně technických vlastnostech, jako například tepelné kapacity, se chladiva liší, a tedy i výsledný cyklus zařízení bude rozdílný.

Chladicí cyklus zařízení

Pro stanovení chladicího výkonu zkoumaného zařízení a následně jeho chladicího faktoru bylo nutné stanovit chladicí cyklus systému a z něj odvodit charakteristiky okruhu. Chladicí cyklus systému byl stanoven na základě naměřených hodnot kondenzačních a vypařovacích tlaků.

Pokles chladicího faktoru

Hlavním cílem bylo zjištění hodnot chladících faktorů dosažených zkoumaným zařízením s náhradním chladivem R417a. Hodnoty COP byly stanoveny pro různé okrajové podmínky, kdy se měnila jak teplota interiéru, tak teplota exteriéru. Chladicí výkon zařízení s chladivem R417a pro kontrolu vypočten také pomocí stanovených hodnot entalpií na sání a výtlaku jednotky při známém průtoku vzduchu ze vztahu:

kde je

V

… objemový průtok vzduchu

ρ

… hustota vzduchu

c

… měrná tepelná kapacita vzduchu

Δh

… rozdíl entalpií vzduchu na sání a výtlaku jednotky

Obr. 3: Průběh chladicího faktoru v závislosti na venkovní teplotě při konstantní teplotě interiéru

Na obrázku č. 3 je vidět závislost chladícího faktoru testovaného systému na teplotách venkovního vzduchu (ovlivňující teplotu kondenzace). Pro přibližnou představu o jeho poklesu v důsledku náhrady chladiva jsou uvedeny i hodnoty uváděné výrobcem. Ty je však nutné brát s nadhledem, neboť výrobci často neuvádějí zcela pravdivé hodnoty. Srovnáním hodnot chladicích faktorů zkoumaného systému split pro odpovídající si teploty vnitřního a venkovního vzduchu se ukazuje, že ekologickou náhradou pracovní látky nastal u zařízení pokles chladicího faktoru o přibližně 10 % v závislosti na teplotách.

Závěr

Z uvedeného experimentu se zdá, že náhrada starých chladiv za jejich ekologické nástupce má na samotný chladicí cyklus zařízení spíše negativní vliv, ať už jde o samotné snížení chladicího faktoru zařízení, tak i nutnost zásahu do částí chladicího okruhu. Je však nutné brát v potaz, že záměnou chladiv se zamezí přispívaní chladicí techniky ke zhoršování nynějšího stavu životního prostředí a kvality ovzduší. Navíc řada původních chladiv je již v dnešní době zakázána úplně, a tak výměna ekologického chladiva je možností, jak dále provozovat starší, avšak stále funkční chladicí systémy bez nutnosti výměny celého strojního zařízení.

Článek vznikl za podpory specifického výzkumu FAST-S-12-17, identifikační číslo 1640.

Literatura

• [1] ULLRICH, Hans-Jürgen. Chladící technika: Díl II. 1. vyd. Praha: Svaz CHKT, 2000, 454 s. ISBN 80-238-5889-0.
• [2] SZÉKYOVÁ, Marta, Richard NOVÝ a Karol FERSTRL. Větrání a klimatizace. 1. vyd. Bratislava: Jaga, 2006, 359 s. ISBN 80-807-6037-3.
• [3] VLČEK, Petr. Aplikace přímého chlazení pro klimatizaci budov. Brno, 2012. Diplomová práce. FAST, VUT v Brně. Vedoucí práce Aleš Rubina.
• [4] Sborník konference PROGRESS 2012 Teplo, energetika, nové směry ve vytápění, nezávislé zdroje a nové předpisy. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava. ISBN 978-8-248-2666-0.
• [5] Svaz chladicí a klimatizační techniky [online]. [cit. 2012-03-11]. Dostupné z: http://schkt.tradecentrum.cz/index.php
• [6] Vyhláška 86/2002Sb: Zákon o ochraně ovzduší a o změně některých dalších zákonů (zákon o ochraně ovzduší). In: Sbírka zákonů. Česká republika: Ministerstvo vnitra, 38. Dostupné z: http://aplikace.mvcr.cz/sbirka-zakonu/ViewFile.aspx?type=c&id=3857