Как работают хладагенты в тепловых насосах и каково их воздействие на окружающую среду

В последние годы тепловые насосы становятся все более популярными системами отопления и охлаждения, однако многие не знают, что в работе этих систем используются хладагенты. В этой статье мы рассмотрим, как работают хладагенты в тепловых насосах и каково их влияние на окружающую среду.

Благодаря своим особенностям с точки зрения энергосбережения и эффективности тепловые насосы являются не только инновационной системой для отопления, охлаждения и производства горячей воды для бытовых нужд, но и ключевым элементом стратегии ЕС по борьбе с изменением климата. Основной целью европейской программы Green Deal является достижение климатической нейтральности к 2050 году для всех стран ЕС.

 

Отказ от угольной энергетики

Европа регулирует использование хладагентов с основной целью скорейшего достижения декарбонизации, или по-другому, низкоуглеродной экономики. Тепловые насосы являются важной частью процесса декарбонизации экономики, поскольку для их работы не применяется горючий газ: тепловые насосы используют энергию почвы, воздуха или подземных вод.

 

Энергоэффективность тепловых насосов

Являясь продукцией, связанной с энергетикой, тепловые насосы попадают под действие Директивы Европейского парламента №. 2009/125/CE от 21 октября 2009 г., которая регулирует экологическое проектирование и определяет необходимые спецификации для его осуществления. Директива за годы своего существования породила множество нормативных актов, например, Постановление 813/2013, посвященное единым и комбинированным системам отопления, которое только в 2021 году позволило сэкономить более 120 млрд. евро на энергопотреблении. Или же Директива 2010/30/UE от 19 мая 2010 г., в рамках которой была введена связанная с энергопотреблением маркировка продукции в сфере энергетики, в том числе тепловых насосов. Маркировка показывает энергетический класс и некоторые другие параметры продукции.

 

Использование возобновляемых источников энергии

Говоря о возобновляемой энергетике, нельзя не упомянуть Директиву по возобновляемым источникам энергии (2009/28/EC), направленную на развитие и распространение экологически чистой энергии во всех секторах европейской экономики, и которая с годами все больше и больше расширяет свои задачи. После достижения первой цели по производству не менее 20% возобновляемой энергии к 2020 году, когда ее потребление выросло с 12,5% в 2010 году до 21,8% в 2021 году, Европейская комиссия предложила достичь 40% к 2030 году. В рамках плана RePowerEU, запущенного в мае 2022 г. в ответ на возникновение проблем на энергетическом рынке в связи с вторжением России на Украину, предполагается довести этот показатель до 45%.
И не только: благодаря этой инициативе страны ЕС снизили свою зависимость от российского топлива, сэкономили около 20% энергии и ввели предельный уровень цен на газ и нефть.

Тепловые насосы и хладагент

Тепловые насосы являются эффективной «зеленой» альтернативой классическому котлу, поскольку они используют естественный источник тепловой энергии для переноса тепла из более холодной среды в более теплую. Инновационная технология, которая меньше загрязняет окружающую среду и обеспечивает значительную экономию на коммунальных платежах. Среди различных характеристик тепловых насосов, которые сегодня становятся все более популярными в жилых, коммерческих и промышленных помещениях, есть один элемент, который потенциально может оказывать сильное воздействие на окружающую среду и абсолютно необходим для работы устройства: хладагент.

Термин «хладагент» определяется в нормативе DIN EN 378-1, как жидкость, используемая в холодильной системе и обеспечивающая теплопередачу благодаря своим физическим свойствам. Речь идет о процессе, когда хладагент проходит через контур, состоящий из компрессора (2), конденсатора (3), электронного терморегулирующего вентиля (4) и испарителя (1), переходя из жидкого состояния в газообразное и наоборот.

Кроме того, нельзя путать два термина: охлаждающая жидкость и хладагент. Они не являются синонимами. Охлаждающей жидкости недостаточно для обеспечения нормального функционирования теплового насоса, поскольку она отводит тепло от объекта только, когда температура внешней среды ниже. Хладагент отводит тепло даже в том случае, если температура окружающей среды выше температуры охлаждаемого объекта.

Каковы характеристики и основные типы хладагентов?

Очевидно, что не все хладагенты одинаковы. Напротив, существуют существенные различия в зависимости от области применения, в которой они используются. Однако у них есть и общие черты, такие как очень стабильная химическая структура и высокий коэффициент полезного действия. Кроме того, большинство хладагентов имеют малый объем паров, сжижаются при низком давлении и характеризируются низкой температурой кипения.

Хладагенты можно разделить на три основные категории: чистые органические жидкости, такие как вода и аммиак; углеводороды, такие как бутан, изобутан, пропан и пропилен; галогенированные углеводороды, а именно гидрофторуглероды (ГФУ), хлорфторуглероды (ХФУ), гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) и перфторуглероды (ПФУ). Но какие хладагенты чаще всего используются в тепловых насосах? Прежде всего, давайте рассмотрим те, которые не могут быть использованы. Например, ХФУ и ГХФУ были запрещены к использованию, поскольку считаются одними из основных факторов, способствующих разрушению озонового слоя. Вместо этого действующий стандарт требует использования ГФУ как в тепловых насосах, так и в целом в системах кондиционирования воздуха в зданиях и транспортных средствах.

Постановление 517/2014 «О фторированных газах»

Выброс в окружающую среду фторированных парниковых газов, обычно называемых F-газами, приводит к значительно большему потеплению, чем углекислый газ. Именно поэтому в Европейском Союзе действует все более жесткий контроль за типами газов-хладагентов, которые могут использоваться в нагревательных и охлаждающих устройствах. В опубликованном в 2014 году Постановлении 517/2014 о фторированных газах был установлен ряд обязательств, которые вступают в силу постепенно и начнут действовать к 2025 году. Цель? Сократить выбросы F-газов на 79% к 2030 г. по сравнению со средним показателем в 2009-2012 гг. Но какие конкретно ограничения накладывает это постановление? Первые конкретные действия касались холодильных систем для коммерческого использования, таких как прилавки и холодильные камеры на складах и в супермаркетах. Так, в начале 2020 года законодательно запрещено использование в системах такого типа ГФУ-газов с ПГП (потенциал глобального потепления - индекс, характеризующий вредность газа по отношению к парниковому эффекту) 2500 и более. С 2022 года ПГП должен составлять менее 150.

Впоследствии это правило было распространено и на оборудование промышленных холодильных установок мощностью 40 кВт и более, где с 1 января 2022 года запрещено использование газов с ПГП ниже 150, за исключением первичного контура каскадных систем, где хладагент должен иметь ПГП ниже 1500. Что касается бытовых кондиционеров с заправкой менее 3 кг, т.е. классических сплит систем, то они, должны будут соответствовать новым правилам только с 2025 года, когда во всех новых моделях перестанут использоваться хладагенты с потенциалом глобального потепления более 750.

Как правильно выбрать хладагент?

Хотя основным критерием выбора одного хладагента является область его применения (кондиционер, охлаждение, тепловой насос и т.д.), необходимо учитывать множество других факторов, которые касаются не только экологии и безопасности, но и термодинамических и экономических аспектов.

С точки зрения безопасности хладагенты характеризуются двумя свойствами - токсичностью и воспламеняемостью. Для более точного представления и классификации рисков Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) выделило два класса для первой характеристики (A = низкая токсичность, B = высокая токсичность) и три класса для второй (1 = невоспламеняющийся, 2 = воспламеняющийся, 3 = очень воспламеняющийся). Приведем примеры. Углеводороды, такие как хладагент пропан (R290) и бутан (R600), относятся к классу A3, поскольку они нетоксичны, но в то же время очень огнеопасны, в то время как большинство гидрофторуглеродов (ГФУ) относятся к классу A1.
Экологически чистые хладагенты:
Clivet

С 2025 г., как мы видим, при новых закупках необходимо будет выбирать кондиционеры и тепловые насосы (с заправкой менее 3 кг), использующие хладагенты с индексом ПГП менее 750. Компания Clivet уже давно адаптировалась к новым правилам, используя хладагент с более низким индексом ПГП чем наиболее распространенная в прошлом смесь, т.е. R-410A. Это газ R-32, который хотя и считается хладагентом нового поколения, но уже несколько лет используется на 50% в качестве компонента той же смеси R-410A. Новый R-32, используемый во всех сплит- и моноблочных тепловых насосах Clivet, действительно характеризуется ПРОС (потенциалом разрушения озонового слоя), равным 0, и ПГП, равным 675 (что примерно на треть меньше, чем у газа R-410A, средний показатель которого составляет 2088).

Откройте для себя тепловые насосы Clivet с хладагентом R-32