Nowe wymogi w zakresie czynników chłodniczych pompach ciepła - czeka nas rewolucja w branży?

Nowe wymogi w zakresie czynników chłodniczych pompach ciepła - czeka nas rewolucja w branży?

W technice pomp ciepła coraz częściej stosuje się tzw. alternatywne (czasami dla niektórych z nich stosuje się nazwę „naturalne”) czynniki chłodnicze, mające odpowiednio niski potencjał tworzenia tzw. efektu cieplarnianego. Pompy ciepła, w których wykorzystano nowe czynniki, mają także dobre własności techniczne i użytkowe. Zmiany są wynikiem nowelizowanego rozporządzenia F-gazowego. W ciągu najbliższych pięciu lat wdrażane wymogi mogą wyraźnie zmienić rynek, montaż i serwisowanie pomp ciepła. Na przewidywane zmiany zaczynają też odpowiadać producenci pomp ciepła oferując nowe modele pomp ciepła pracujące na nowych czynnikach chłodniczych. Czy czeka nas w tym zakresie jakaś rewolucja w branży pomp ciepła? Co oznaczają te zmiany i co spowodują? Czy przy wyborze pompy ciepła należy zwracać na to uwagę?

O jakich przepisach mówimy?
W Europie podjęto działania na rzecz stosowanie czynników chłodniczych o niskim GWP (Global Warming Potential – potencjał tworzenia efektu cieplarnianego) ponieważ jest to 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 tzw. rozporządzenie F-gazowe, 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 [10][15][16].
Rozporządzenie EU przeniesiono na polski grunt tzw. ustawą F-gazową, które zawiera m.in. harmonogram wycofywania z rynku czynników chłodniczych o szczególnie wysokim GWP. Należy jednak wyraźnie powiedzieć, że docelowo w niektórych przypadkach analizowane dla pomp ciepła są tylko plany i sugestie jednak wszystko wskazuje na to Unia Europejska raczej będzie wymagać zaostrzania przepisów i Polska będzie się do nich dostosowywać. [10][15][16].

Czy czynnik chłodniczy w pompie ciepła jest ważny?
Jak już wielokrotnie opisywaliśmy na niniejszym blogu podstawowym wyposażeniem pompy ciepła jest sprężarka, zawór rozprężny oraz dwa wymienniki – parownik i skraplacz. W takim układzie pracuje czynnik chłodniczy, który w wyniku sprężania i rozprężania pobiera lub oddaje ciepło. Jakość (przede wszystkim jego parametry podczas przemian termodynamicznych) tego czynnika gwarantuje nam określone efekty energetyczne i finansowe użytkowania pompy ciepła [1][2].
Klasyczne czynniki chłodnicze są substancjami, które w wyniku niekontrolowanego wycieku do atmosfery stanowią zagrożenie dla środowiska. Ich emisja przyczynia się do niszczenia warstwy ozonowej, co w następstwie prowadzi do efektu globalnego ocieplenia. Dlatego polityka Unii Europejskiej w ostatnich latach stała się bardzo restrykcyjna wobec wszystkich czynników chłodniczych. Przykładowo niektóre z nich, tj. freony CFC (chlorofluorowęglowodory) i HCFC (wododorochlorofluorowęglowodory), musiały zostać wycofane z rynku. Podział czynników chłodniczych przedstawiono w tabeli nr 1 [3][4][5].
Rynek pomp ciepła jest mocno zróżnicowany pod względem rozwiązań technicznych. Jedną z płaszczyzn różnicujących stosowane modele pomp ciepła jest także właśnie rodzaj zastosowanego czynnika chłodniczego. Obecnie zasadniczo stosuje się najczęściej gazy z grupy czynników na bazie fluoru (HFC – hydrofluorowęglowodory), np. R407A, R410A, R134a. Mają one zerowy współczynnik ODP (Ozone Depleting Potential) i średniowysoki wskaźnik GWP (Global Warming Potential) [4][5][6][7][8].
Tabela 1. Podział czynników chłodniczych [5]
Kolejną grupą są czynniki na bazie fluoru (HFO – hydrofluoro-olefiny), które mają jeszcze niższy wskaźnik GWP. Jest to m.in. R1234yf. Grupą czynników, które obecnie są uważane za najbardziej przyszłościowe, to czynniki naturalne. W kolejnych latach zgodnie z przyjętymi porozumieniami na szczeblu EU i światowym wybrane czynniki chłodnicze szkodliwym oddziaływaniu na środowisko będą wycofywane. Przykład takiego działania, zgodnego z harmonogramem, dla określonych czynników przedstawiono na rysunku nr 1.

Nowe wymogi w zakresie czynników chłodniczych pompach ciepła - czeka nas rewolucja w branży?Rys. 1. Harmonogram wycofywania wybranych czynników chłodniczych związany z podjętymi postanowieniami i porozumieniami jest nieunikniony [13]

Jest to więc planowane działanie. Stosowanie czynników chłodniczych w branży grzewczej, ale też w klimatyzacji i chłodnictwie podlega ścisłym przepisom prawnym, które wraz z rozwojem badań dopuszczają lub wycofują niektóre substancje. Zastosowanie danego czynnika ma również znaczenie w odniesieniu do wymagań bezpieczeństwa. Każde uzupełnienie czynnika chłodniczego musi być zgodne z obowiązującymi przepisami prawa. Do wskaźników pokazujących wpływ danego czynnika chłodniczego na środowisko należą [3][4][8][16]:
ODP - Ozone Depleting Potential - Potencjał niszczenia warstwy ozonowej. Wskaźnik nazywany potencjałem niszczenia warstwy ozonowej (ODP) jest miarą szkodliwości substancji dla warstwy ozonowej. Promieniowanie UV pochodzące od Słońca powoduje uwolnienie chloru ze związków CFC i HCFC do atmosfery, które uszkadzają warstwę ozonową. W przeciwieństwie do wymienionych związków chemicznych czynniki chłodnicze pochodzenia naturalnego mają poziom ODP równy zeru, co oznacza, że w żaden sposób nie przyczyniają się do uszkodzenia warstwy ozonowej, jeśli np. nastąpi ich wyciek z systemu chłodniczego.
GWP - Global Warming Potential - Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego. Wartość potencjału tworzenia efektu cieplarnianego to względny wskaźnik określający ilość ciepła zatrzymywaną przez dany gaz cieplarniany w atmosferze. Im mniejsza wartość GWP, tym substancja jest bardziej przyjazna środowisku. GWP uwzględnia porównanie ilości ciepła zatrzymywanego przez określoną masę gazu do ilości ciepła zatrzymywanego przez dwutlenek węgla o tej samej masie. Dana wartość GWP jest obliczana dla określonego przedziału czasu, zwykle 20, 100 lub 500 lat.
W niektórych krajach UE stosuje się już kary za brak aktualnego przeglądu F-gaz, które sięgają już nawet 10 000 euro. Wkrótce może być także wprowadzony dodatkowy podatek od czynnika z grupy F-gaz tak jak jest to np. w Danii. W Polsce urządzenia z czynnikami chłodniczymi przy określonej ich ilości należy rejestrować. W przypadku niezgłoszenia urządzenia wykorzystującego czynniki chłodnicze, kwalifikującego się do zgłoszenia do CRO (Centralny Rejestr Operatorów), ustawa o SZWO przewiduje nałożenie kary na właściciela urządzenia w wysokości 15 000 zł. [14][16][9].

Czynniki naturalne w natarciu
Tradycyjne czynniki chłodnicze wykazują negatywny wpływ na środowiska naturalne, dlatego w przypadku pomp ciepła, który uznawane są za najbardziej ekologiczne systemy grzewcze, powstała potrzeba znalezienia zamienników. Coraz więcej firm zaczęła więc wykorzystywać czynniki naturalne, które wykazują minimalny wpływ na efekt cieplarniany. Do tej grupy należą m.in. dwutlenek węgla (R744), amoniak (R717), propan (R290), izobutan (R600a). poniżej krótki opis wybranych czynników [3][4][5][6][7][8][9][10]:



  1. Propan
W perspektywie najbliższych lat będzie to prawdopodobnie jednym z nielicznych dopuszczonych czynników chłodniczych, który nie będzie podlegał restrykcyjnym ograniczeniom. Ma doskonałe właściwości termodynamiczne oraz posiada niski współczynnik GWP wynoszący zaledwie 3, a ODP wynosi 0. Czynnik ten uznawany jest też za bezpieczny, mimo, że propan jest substancją palną. W przypadku pompy ciepła typu monoblok cały obieg termodynamiczny znajduje się w jednostce zewnętrznej zlokalizowanej na zewnątrz. To zdecydowanie ogranicza niebezpieczeństwo. Niektóre firmy zresztą stosują dodatkowe systemy zabezpieczające przy ewentualnym dostaniem się propanu do obiegu grzewczego.
Najważniejszą zaletą propanu jest jego wysoka wydajność, w porównaniu do innych czynników, zarówno pod względem ilościowym jak również pod względem efektywności. Propan posiada także niższe temperatury pracy pomp ciepła, np. w przypadku powietrznych wartość ta może osiągać nawet do -25 0C. Co więcej, nawet przy temperaturach na zewnątrz rzędu -15 0C, będzie można uzyskiwać temperatury wody grzewczej na zasilaniu rzędu 70 0C. Przy tych samych parametrach pracy urządzenia z propanem mogą mieć efektywność nawet do 20% wyższą, niż w przypadku stosowania innych czynników. Propan może zagrażać instalacji ze względu na jego palność, jednak problem ten prawdopodobnie zostanie opanowany w krótkim czasie przez stosowanie odpowiednich procedur i systemów bezpieczeństwa [8].
  1. CO2
Dwutlenek węgla to niepalny i nietoksyczny gaz, który w razie wycieku ma niewielkie oddziaływanie na efekt cieplarniany w porównaniu do popularnych czynników zawierających fluor. Pracuje on w bardzo wysokim ciśnieniu, co od producentów pomp ciepła na ten czynnik wymaga odpowiedniego dostosowania technologii, co podnosi koszt takich urządzeń. Czynnik ten pracuje bardzo efektywnie, gdyż schładza się stopniowo bez skraplania. GWP = 1, ODP = 0. CO2 stanowi niemalże idealny czynnik chłodniczy, zarówno z punktu widzenia ekologii, jak i bezpieczeństwa. Nie stanowi on żadnego zagrożenia dla warstwy ozonowej. Nie jest też trujący, palny ani aktywny chemicznie. Ponadto nie wymaga on w żadnym stopniu odzysku ani utylizacji. Dwutlenek węgla odznacza się też pewnymi rewelacyjnymi właściwościami termofizycznymi takimi jak bardzo dobry współczynnik przenikania ciepła, dość dobra odporność na straty ciśnienia oraz bardzo niska lepkość [3][4][5][6].


c) Amoniak
Amoniak to kolejny naturalny czynnik chłodniczy, choć nie tak często stosowany, jak czynniki typu HC. Jego wartości współczynników GWP i ODP wynoszą zero, a sam amoniak szybko ulega rozpadowi. Problem stanowi jego kwasowy odczyn powodujący korozję. Z tego powodu wymagany jest odpowiedni dobór materiałów na komponenty do budowy systemu chłodniczego. Stereotypowe opinie często wskazują, że należy obawia
się amoniaku z uwagi na potencjalne niebezpieczeństwo, gdyż jest gazem bezbarwnym, palnym i trującym. Ewentualne zagrożenia mogą jednak powstać przy dużej jego ilości. Oczywiście w każdych warunkach należy obchodzić się z nim ostrożnie, a wszystkie systemy, w których wykorzystywany jest amoniak muszą być zaprojektowane z myślą o bezpieczeństwie. Jednocześnie, w przeciwieństwie do większości pozostałych czynników chłodniczych, ma charakterystyczny zapach, może więc zostać wykryty przez ludzi nawet w bardzo niskich stężeniach.
Amoniak jest jednym z najbardziej efektywnych czynników chłodniczych, może być stosowany w wysokich i niskich temperaturach. Zarówno w postaci pary, jak i cieczy, wymaga mniejszych średnic rur niż większość syntetycznych czynników chłodniczych. Dotychczas stosowano go w dużych, przemysłowych urządzeniach chłodniczych i grzewczych jednak należy się liczyć z tym, że niedługo zaczniemy go również stosować w jednostkach mniejszych [9][10][11][6].






Miary oceny czynników chłodniczych
Obecnie same wartości GWP i ODP przestają wystarczać. Aby oszacować łączne skutki związane z emisją stosowania czynnika chłodniczego w systemach klimatyzacyjnych i pomp ciepła stosuje się często metodologię znaną jako modelowanie wydajności klimatycznej w cyklu życia - Life Cycle Climate Performance (LCCP). Modelowanie takie szacuje całkowitą bezpośrednią i pośrednią emisję gazów cieplarnianych w całym okresie eksploatacji systemu od produkcji po utylizację i recykling. Modelowanie takie uwzględnia właściwości fizyczne i wydajność termodynamiczną czynnika chłodniczego, a także wpływ zastosowania tego czynnika chłodniczego w systemie klimatyzacji lub pomp ciepła w celu oszacowania całkowitej emisji ekwiwalentu CO2 w okresie eksploatacji tego systemu [11].

Nowe wymogi w zakresie czynników chłodniczych pompach ciepła - czeka nas rewolucja w branży?
Rys. Efekt zmiany czynników chłodniczych w układzie wartości GWP oraz zużycia energii [11]

Szereg niedawnych badań wykazało, że emisje CO2 spowodowane zużyciem energii elektrycznej mają znaczący udział w obliczeniach emisji w całym okresie eksploatacji systemu grzewczego. Oprócz innych kwestii związanych z produkcją, materiałami i powiązanymi procesami, analiza cyklu życia uwzględnia emisje generowane przez elektrownię dostarczającą energię elektryczną, która jest następnie wykorzystywana przez np. pompę ciepła czy klimatyzator podczas okresu użytkowania tego sprzętu. Duża część całkowitych emisji w całym okresie eksploatacji urządzenia wynika ze zużycia energii elektrycznej przez system. Zgodnie z tymi obliczeniami analizy cyklu życia, zużycie energii elektrycznej może stanowić do 85% całkowitych emisji w całym okresie życia systemu.
W rezultacie czynnik chłodniczy, który osiąga wyższą wydajność energetyczną podczas użytkowania, może być bardziej skuteczny w ochronie klimatu niż sugeruje jego wskaźnik GWP. Całkowite zużycie energii elektrycznej przez klimatyzator lub pompę ciepła zależy od wielu czynników, w tym klimatu regionalnego, otaczającej infrastruktury oraz wydajności chłodniczej i efektywności energetycznej systemu. Warto to przeanalizować aby nie wylewać w przysłowiowego dziecka z kąpieli [11].
Całościowe różnice emisji podczas analiz wykazują jednak prawidłowy trend zmian. Rysunek poniżej przedstawia porównanie bezpośrednich emisji systemu czynnika chłodniczego R-410A z systemem R-32 o podobnych specyfikacjach. Wykres porównuje emisje pochodzące z całego okresu eksploatacji wybranego klimatyzatora 15 SEER działającego w łagodnym klimacie przez okres 15 lat [11].


Nowe wymogi w zakresie czynników chłodniczych pompach ciepła - czeka nas rewolucja w branży?
Rys. Przykład bezpośredniego porównania emisji generowanych przez dwa czynniki chłodnicze [11]
Należy sądzić, że docelowo decydenci będą podejmowali decyzje oparte o kompleksową ocenę czynników chłodniczych uwzgledniającej poza wskaźnikiem GWP również aspekty efektywności energetycznej, bezpieczeństwa oraz wyniki modelowania LCCP [12].

Nowe wymogi w zakresie czynników chłodniczych pompach ciepła - czeka nas rewolucja w branży?
Rys. Przykład kompleksowej oceny czynników chłodniczych uwzgledniającej poza wskaźnikiem GWP również aspekty efektywności energetycznej, bezpieczeństwa oraz modelowania LCCP [12]

Podsumowanie
Rynek pomp ciepła będzie ewaluował. Do wytycznych i pewnie rosnących cen starych czynników chłodniczych będą dostosowywać się producenci urządzeń. Na pewno, jak wskazują dane z rynku będziemy pomp ciepła, będziemy montować pomp ciepłą coraz więcej. Wdrażane w EU rozporządzenia na pewno wpłyną również na pojawianie się nowych modeli pomp ciepła opartych o czynniki naturalne oraz wpłyną na stosowane technologie. Np. w odróżnieniu od konstrukcji typu split, pompy ciepła typu monoblok to urządzenia hermetycznie zamknięte. Oznacza to, że wewnętrzne układy zawierające czynnik chłodniczy są w nich zamontowane fabrycznie i producent dokonał w nich próby szczelności. Instalacja monobloków jest możliwa do szybkiego montażu bez uprawnień f-gazowych i nie wymaga okresowych prób szczelności. Z tego względu zainteresowanie tymi urządzeniami może w najbliższej przyszłości rosnąć, zwłaszcza jeśli pojawią się kolejne restrykcje ze strony Unii Europejskiej w sprawie gazów cieplarnianych i ich wpływu na środowisko. Dane podane w niniejszym artykule są następnym czynnikiem które spowodują, że pompy ciepła będą w przyszłości projektowane jako urządzenia kompaktowe i uniwersalne. Dominować będą jednostki/urządzenia typu all-in-one, zawierające wszystkie komponenty potrzebne do bezpiecznej pracy. Pompy ciepła już niedługo będą tak popularne jak kotły gazowe i ich zastosowanie musi być uniwersalne, również od strony hydraulicznej.
Czy już teraz zdecydowanie nie kupować pomp ciepła które stosują czynniki robocze o standardowych/klasycznych wartościach GWP? To wydaje się przesadą. Nawet wprowadzane za kilka lat zakazy na pewno nie spowodują że daną pompę ciepła będzie trzeba w danym domu wymontować. Na rynek będą wprowadzane zamienniki czynników chłodniczych. A nawet jeśli nie da się w danym modelu pompy ciepła zastosować zamiennika to dopuszczone będzie serwisowanie funkcjonujących urządzeń na starym czynniku. Oczywiście należy się liczyć z tym, że czynniki wycofywane będą na rynku, ale będą one droższe.
Na pewno inwestycja w pompę ciepła oparta o propan czy dwutlenek węgla oznacza inwestycję przyszłość (małą emisja do środowiska), ale też wykorzystanie zaawansowanej technologii pozywającej uzyskać wyższe parametry. Nie da się jednak ukryć, że koszt takich urządzeń będzie wyższy z racji kosztu nowej technologii.



Źródła

  1. Mania T., Kawa J.: Inżynieria instalacji pomp ciepła. Monografia pod redakcją A. Mrozińskiego. Wydawnictwo Grafpol. Bydgoszcz 2016
  2. Mirowski A.: Podręcznik dobrych praktyk w zakresie doboru i wykorzystania odnawialnych źródeł energii oraz likwidacji niskiej emisji. Wydawnictwo ARL MIROWSKI. Kraków 2015
  3. http://strefainstalatora.pl/firma-i-fach/rozporzadzenie-f-gazowe-zmiany-na-rynku-klimatyzatorow/ (dostęp - lipiec 2022r.)
  4. http://strefainstalatora.pl/news/obowiazki-instalatorow-f-gazowych-pomp-ciepla/ (dostęp - lipiec 2022r.)
  5. https://www.ekspertbudowlany.pl/artykul/nowe-warunki-techniczne/286673,pompy-ciepla-na-propanie-r290-rewolucja-czy-koniecznosc#image-1 (dostęp - lipiec 2022r.)
  6. https://instalreporter.pl/odnawialne-zrodla-energii/pompy-ciepla-powietrze-woda-typu-split-i-monoblok-a-czynniki-chlodnicze/ (dostęp - lipiec 2022r.)
  7. https://ibcon.trademedia.pl/2020/02/06/czynniki-chlodnicze-pochodzenia-naturalnego/ (dostęp - lipiec 2022r.)
  8. https://globenergia.pl/comments/naturalne-czynniki-przyszloscia-branzy-pomp-ciepla/ (dostęp - lipiec 2022r.)
  9. https://www.instalacjebudowlane.pl/11941-23-84-propan-r290--naturalny-czynnik-chlodniczy-przyszloscia-branzy-pomp-ciepla.html (dostęp - lipiec 2022r.)
  10. https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/pompy-ciepla/133183,pompy-ciepla-na-alternatywne-czynniki-chlodnicze (dostęp - lipiec 2022r.)
  11. https://www.hpac.com/technology/article/21143599/r32-refrigerant-how-it-will-help-hvac-systems-be-more-environmentally-friendly (dostęp - lipiec 2022r.)
  12. http://generalenergy.cn/docs/hydraulic-heat-pump-contributes-to-reduce-global-warming-and-it-is-more-popular-for-house-heating-while-lng-becoming-more-expansive-sep-24th-2021/ (dostęp - lipiec 2022r.)
  13. https://les.mitsubishielectric.co.uk/the-hub/refrigerants-a-new-focus-on-gwp (dostęp - lipiec 2022r.)
  14. http://www.cro.ichp.pl/o-cro (dostęp - lipiec 2022r.)
  15. 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.U. UE L 150/195 z dn. 20.05.2014).
  16. Ustawa z dnia 15 maja 2015 r. o substancjach zubożających warstwę ozonową (SZWO) oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych (tj. DzU z 2019 r., poz. 2158).
Ekspert ds OZE - dr inż. Adam Mroziński
Dr inż. Adam Mroziński - naukowiec, działacz na rzecz biznesu, dydaktyk.
Dr inż. Adam Mroziński - naukowiec, wspiera rozwój relacji uczelnia-biznes, dydaktyk. Autor patentów z zakresu ekologii i OZE nagradzanych na wystawach krajowych i międzynarodowych. Wykładowca Politechniki Bydgoskiej, Wydział Inżynierii Mechanicznej oraz Dyrektor Centrum Kompetencji - Interdyscyplinarnego Centrum Odnawialnych Źródeł Energii na PB

więcej informacji o autorze
Zostań partenrem i sprzedawaj fotowoltaikę

Kontakt

Spytaj o bezpłatną wycenę lub umów się na spotkanie.

Zostaw nam swoje dane, a my oddzwonimy do Ciebie w przeciągu 24h. Nasz ekspert może przyjechać do Ciebie i omówić szczegóły przy ciepłej kawie i to całkowicie za darmo. Zapraszamy do kontaktu.

Flixenergy.pl

Zadzwoń lub napisz

56 665 14 00

kontakt@flixenergy.pl

Nasz adres

ul. Szosa Bydgoska 60a
87-100 Toruń

Nasze punkty obsługi klienta

Oddział Bydgoszcz

ul. Szajnochy 2
85-738 Bydgoszcz
56 665 15 50

godziny otwarcia:
poniedziałek - piątek ⟩ 10.00 - 18.00
sobota ⟩ 10:00 - 14:00

Oddział Przysiek k. Torunia

ul. Leśna 3b
87-134 Przysiek
56 665 15 51

godziny otwarcia:
poniedziałek - piątek ⟩ 9.00 - 17.00
sobota ⟩ 10:00 - 14:00

Ciasteczka


Używamy plików cookies, aby ułatwić Ci korzystanie z naszego serwisu oraz do celów statystycznych. Jeśli nie blokujesz tych plików, to zgadzasz się na ich użycie oraz zapisanie w pamięci urządzenia. Pamiętaj, że możesz samodzielnie zarządzać cookies, zmieniając ustawienia przeglądarki.

Polityka Prywatności i Polityka Cookies
Akceptuj
ładowanie strony...