Ekologické chladivá v chladiacej technike a v technike tepelných čerpadiel

Chladiace zariadenia a tepelné čerpadlá s parným kompresorovým obehom obsahujú aj pohonné elektromotory, ktoré je nutné napájať elektrickou energiou. Možno ich pritom deliť na energeticky nezávislé (napájané z obnoviteľných zdrojov, napr. z fotovoltiky) alebo na čiastočne závislé (napájané z elektrickej distribučnej siete).

Trendy v chladiacej technike a v technike tepelných čerpadiel úzko súvisia s možnosťami technicky a ekologicky vhodného prevádzkovania zariadení s chladivami. Práve chladivá pritom prešli počas ostatného jeden a pol storočia búrlivým rozvojom.

Chladivo je pracovná látka, pomocou ktorej sa v chladiacom zariadení alebo v tepelnom čerpadle uskutočňuje termodynamický obeh. Počas neho sa prijíma tepelný tok z chladenej látky pri nízkom tlaku a teplote a odovzdáva tepelný tok do látky pri vyššom tlaku a najmä teplote.

Pri takomto obehu (parný kompresorový obeh) chladivo mení svoje skupenstvo z kvapalného stavu na parné a naopak. Ako chladivá sa používajú jednozložkové (v podstate chemické) zlúčeniny a tiež ich zmesi – zeotropické alebo azeotropické.

Skupenská zmena z kvapalnej do parnej a naopak prebieha pri jednozložkovej alebo azeotropickej zmesi chladiva pri určitom tlaku a približne konštantnej teplote. Použitím zeotropickej zmesi chladív sa skupenské zmeny uskutočňujú pri meniacej sa teplote – na počiatku vyparovania je iná teplota ako na konci procesu. Tento rozdiel zmeny teplôt sa označuje ako „teplotný sklz“.

Chladivá vhodné do parných kompresorových obehov rozlišujeme podľa pôvodu [1] na:

1. prírodné látky, vyskytujúce sa aj vo voľnej prírode,
2. čisté uhľovodíky,
3. halogénované uhľovodíky (umelo vyrobené látky) ako chladivá.

Vývoj chladív pre chladiacu techniku a techniku tepelných čerpadiel

Pracovné látky používané v chladiacich zariadeniach a v tepelných čerpadlách prešli búrlivým vývojom najmä z dôvodu ich ekologických vlastností [2].

V súčasnosti sa preferujú chladivá s prijateľnými nízkymi hodnotami ekologických ukazovateľov (napr. GWP, skleníkový potenciál použitého chladiva), ako sú fluorovodík R 32, resp. R407H, ďalej prírodné látky „zelené chladivá“, pričom ako perspektívne sa ukazuje aj chladivo R 744 (oxid uhličitý, CO₂).

Oxid uhličitý bude mať ako staronové chladivo uplatnenie aj pri tepelných čerpadlách, a to vďaka vývoju technológie výroby kompresorov na chladenie potravín. Historický vývoj použitia chladív sa vyznačoval rôznymi charakteristikami. V prípade prvej generácie sa ako funkčné chladivá používali toxické horľavé látky, prchavé zlúčeniny, ale aj amoniak, oxid uhličitý a voda.

Pri druhej generácii sa s cieľom bezpečnosti a trvanlivosti vyvinuli halogénované uhľovodíky, a to ako časovo stále, netoxické a nehorľavé zlúčeniny, no iba dovtedy, kým neprišlo konštatovanie nebezpečenstva narúšania ozónovej vrstvy Zeme.

Tretia generácia vývoja sa sústredila na ochranu ozónovej vrstvy, a to zákazom výroby a použitia chlórovaných uhľovodíkov a ich náhradou fluórovanými uhľovodíkmi. Štvrtá generácia je zameraná na zmiernenie skleníkového efektu zapríčineného činnosťou ľudstva.

Pracovné látky pre činnosť tepelného čerpadla

V súčasnosti pracuje väčšina tepelných čerpadiel (TČ) s parnými kompresorovými obehmi, aj keď existujú TČ fungujúce na iných princípoch – napríklad absorpčných, adsorpčných či paroprúdových obehoch –, alebo ide o termoelektrické TČ [4].

Na obr. 2 sú uvedené ekologické ukazovatele vybraných chladív tepelných čerpadiel [5, 6 a 7]. Chladivá ako pracovné látky v obehoch chladiacich a klimatizačných zariadení a tepelných čerpadiel mali a majú pri úniku do atmosféry Zeme tieto negatívne vplyvy:

• poškodzujú (rozkladajú) stratosférickú ochrannú ozónovú vrstvu,
• vytvárajú skleníkový efekt (prispievajúc ku globálnemu otepľovaniu atmosféry),
• spôsobujú fotochemické reakcie,
• znečisťujú ovzdušie.

Donedávna prevládali jednozložkové (čisté) látky, ktoré sa používali v obehoch kompresorových tepelných čerpadiel. V 90. rokoch minulého storočia sa začali uplatňovať v kompresorových obehoch azeotropné aj neazeo-tropné zmesi chladív [2].

V roku 1974 bola prvýkrát uverejnená teória o rozklade stratosférického ozónu chlórom. Predpokladalo sa, že rozklad ozónu zapríčiňujú predovšetkým produkty rozkladu halogénovaných uhľovodíkov. Na základe tejto teórie sa začal rozsiahly výskum, ktorého výsledky si vynútili celosvetové obmedzenie, prípadne ukončenie výroby halogénovaných uhľovodíkov s vysokým potenciálom rozkladu ozónovej vrstvy Zeme.

Ozón v stratosférickej vrstve atmosféry absorbuje väčšiu časť ultrafialového žiarenia dopadajúceho na Zem. Znížením koncaentrácie ozónu sa zvyšuje pôsobenie ultrafialového žiarenia na zemský povrch, čo má nebezpečné účinky na živé organizmy, a teda aj na človeka.

Úsilie o ochranu ozónovej vrstvy Zeme vyústilo do medzinárodných dohôd, ktorých cieľom je zabrániť ďalšiemu úniku látok poškodzujúcich ozónovú vrstvu atmosféry do ovzdušia. Ide o Viedenskú dohodu o ochrane ozónovej vrstvy z roku 1985, Montrealský protokol z roku 1987, jeho Londýnsky dodatok z roku 1990 a Kodanský dodatok z roku 1992.

Používanie látok poškodzujúcich ozónovú vrstvu Zeme sa podľa týchto medzinárodných dohôd musí skončiť v požadovaných termínoch (podľa Londýnskeho dodatku, na ktorý už Slovenská republika pristúpila, to bolo v rokoch 1997 až 2000 podľa jednotlivých druhov látok).

Slovenská republika nie je výrobcom látok poškodzujúcich ozónovú vrstvu Zeme, preto sa u nás sústredíme na technické podmienky prevádzky existujúcich a novoinštalovaných zariadení. Z legislatívneho hľadiska pravidlá nakladania s látkami poškodzujúcimi ozónovú vrstvu Zeme upravuje zákon č. 408/2000 Z. z., ktorý je účinný od 1. 1. 2001.

Z ekologického hľadiska boli snahy používať v chladiacej technike prírodné látky, medzi nimi aj vodu, čo dosiaľ umožňovali absorpčné a adsorpčné zariadenia. Pokusy používať vodu ako chladivo v zariadeniach s objemovými kompresormi stroskotali na tom, že voda je v stave vákua veľmi agresívna a deštruuje pohyblivé časti kompresora. Samotné udržanie vákua v zariadení je takisto náročné.

Vlastnosti zdroja chladu s chladivom voda

Chladiace zariadenie pracuje s priamym odparovaním vody vo vákuovo tesnom uzavretom obehu. Odparená voda vo výparníku ochladzuje chladenú vodu. Radiálny turbokompresor stláča chladivo R 718 (voda), pričom jeho tlak sa zvyšuje z tlaku vyparovania na kondenzačný tlak.

Kondenzátorom stlačená voda sa ochladzuje chladiacou vodou kondenzátora. Expanzia prebieha z kondenzačného tlaku na tlak vyparovania. Voda má vo využitej oblasti teplôt na medznej krivke sýtosti nízky tlak s hodnotou niekoľko mbar.

Celý termodynamický proces prebieha pri podtlaku medzi 10 a 100 mbar a pri zodpovedajúcich teplotách medzi +5 °C a 45 °C. Voda ako chladivo (náplň v zariadení 60 l) je pri danom chladiacom výkone čistá, spoľahlivá a bezpečná.

Teploty chladenej vody sa začínajú pri +10 °C. Vychádzajúc z princípu chladenia, prevádzka chladiča vody je mimoriadne hospodárna pri teplotách chladenej vody okolo +22 °C a vyšších [8, 9]. Súčasné prototypové zariadenie má chladiaci výkon 35 kW.

Pokiaľ by vstupná teplota chladiacej vody kondenzátora bola takisto +22 °C, hodnota EER (pomer vyrobeného chladiaceho výkonu a príkonu na pohon zariadenia) zariadenia by dosahovala hodnotu 7,9 kW/kW (obr. 3). Tieto zdroje chladu našli uplatnenie najmä pri chladení serverovní bánk alebo výpočtových stredísk.

V takýchto prípadoch je úlohou chladiť tieto priestory s maximálnym výkonom 35 kW na maximálnu teplotu priestoru 25 °C. V jednom prípade, od júla 2016 do februára 2017, vyrobil zdroj chladu cca 80 kWh chladu a spotreboval 4 MWh elektrickej energie, a to vďaka tomu, že od októbra sa zabezpečovalo chladenie prevažne vonkajším vzduchom (voľné chladenie – free cooling).

Pohľad na zdroj chladu s chladiacim výkonom je na obr. 4 [8, 9]. Vďaka konštrukcii zdroja chladu, špeciálne upravenej regulácii a riadeniu možno plynule prepínať medzi prevádzkovými stavmi voľné chladenie, jednostupňová prevádzka alebo dvojstupňová prevádzka, a to aj pri plnom chladiacom výkone, aj pri čiastočnom zaťažení.

Teplota vyrobenej chladenej vody zostáva pri prepínaní chladiaceho výkonu prakticky ustálená.
Zariadenie je v prevádzkovom režime voľného chladenia, keď je teplota chladiacej vody kondenzátora na vstupe len o niečo nižšia, ako je požadovaná teplota chladenej vody na výstupe zo zariadenia.

V takomto prevádzkovom stave sa dosahujú veľmi vysoké hodnoty EER. Na obr. 5 sú znázornené usporiadania kompaktných hermetických výmenníkov, ktoré tvoria výparník a kondenzátor zdroja chladu.

Záver

Použitie chladiacich zariadení, ako sú aj tepelné čerpadlá, na vykurovanie, prípravu teplej vody a na chladenie v budovách má jasnú budúcnosť aj v súvislosti s dekarbonizáciou energetiky. Prehľad možných použitých chladív pritom, samozrejme, nie je stále úplný. Vyvíjajú sa ďalšie zmesi, a to nielen náhrady za halogénované chladivá, ale aj prírodné, „zelené“ chladivá.

Na záver opísané chladiace zariadenie s ekologickým chladivom našlo uplatnenie pri úspešnom prevádzkovaní chladenia serverovní administratívnych budov. Je pravdepodobné, že nájde uplatnenie aj v budovách z iných oblastí, kde prichádza do úvahy vysokoteplotné chladenie, či už pri vzduchotechnických zariadeniach, alebo pri systémoch stropného chladenia.

Túto prácu podporilo Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky prostredníctvom grantu KEGA 044STU-4/2018.

Literatúra

1. TOMLEIN, P.: Chladivá v tepelných čerpadlách In: Zborník príspevkov z 22. medzinárodnej konferencie Vykurovanie 2014, str. 225 – 228.
2. CALM, J. M. – HOURAHAN, G. C.: Refrigerant Data Update, HPAC Engineering, 79(1):-64,January 2007.
3. ZOGG, M.: Geschichte der Wärmepumpe – Schweizer Beitrage und internationale Meilensteine, Verfahrens und Energietechnik,CH – 3414, Obenburg, mazo@zogg-engineering.ch, Mai 2008.
4. Mečárik, K. – Havelský, V. – Füri, B.: Tepelné čerpadlá, SNTL/Alfa 1988.
5. LIPPOLD, H. – HEIDE, R.: Dimethylether als Kältemittelkomponente, Ki Luft- und Kältetechnik 5/1997, p. 202 – 205.
6. FÜRI, B. – ŠVINGÁL, J.: Some experimental results with ammonia base azeotrop refrigerant R 723 in small heat pump. Conference IIR Papiernička 2009.
7. PETRÁK, M.: Chladící technika a tepelná čerpadla pro inteligentní budovy (Výpočtové podklady). ČVUT Praha, 2013.
8. Chlazení, odborný časopis pro techniku chlazení a aplikace, 1/2018, str. 32 – 34.
9. Wasser das natürliche Sicherheitskältemittel, dostupné na www.efficient-energy.de.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 3/2019.