Trendy s ekologickými chladivy

Chladicí zařízení a tepelná čerpadla s parním kompresorovým oběhem obsahující pohonné elektromotory, které je nutné napájet elektrickou energií, lze dělit na energeticky nezávislé (jsou napájeny z obnovitelných zdrojů, např. z fotovoltaiky) nebo na částečně závislé (napájené z elektrické distribuční sítě).

Trendy v chladicí technice a v technice tepelných čerpadel úzce souvisí s možnostmi technicky a ekologicky vhodného provozování zařízení s chladivy. Právě chladiva prošla během posledního jednoho a půl století bouřlivým rozvojem.

Chladivem je pracovní látka, pomocí které se v chladicím zařízení nebo tepelném čerpadle uskutečňuje termodynamický oběh. Během oběhu se za nízkého tlaku a teploty přijímá tepelný tok z chlazené látky a předává tepelný tok do látky při vyšším tlaku a zejména při vyšší teplotě.

Při tomto parním kompresorovém oběhu chladivo mění své skupenství ze stavu kapalného na plynné a naopak. Jako chladiva jsou používány jednosložkové směsi (v podstatě chemické sloučeniny) a také jejich zeotropické nebo azeotropní směsi.

Změna skupenství z kapalného do plynného a naopak probíhá u jednosložkové nebo azeotropní směsi chladiva při určitém tlaku přibližně za konstantní teploty. Použitím zeotropické směsi chladiv se změny skupenství uskutečňují při měnící se teplotě; na počátku vypařování je jiná teplota než na konci procesu. Tento rozdíl změny teplot se označuje jako teplotní skluz.

Chladiva vhodná pro uskutečnění parních kompresorových oběhů rozlišujeme podle původu na [1]:přírodní

• látky, vyskytující se i ve volné přírodě,
• čisté uhlovodíky,
• halogenované uhlovodíky (uměle vyrobené látky) jako chladiva.

Vývoj chladiv pro chladicí techniku a pro techniku tepelných čerpadel

Pracovní látky používané v chladicích zařízeních a v tepelných čerpadlech prošly bouřlivým vývojem zejména z důvodu jejich ekologických vlastností [2].

V současnosti jsou preferována chladiva s přijatelnými nízkými hodnotami ekologických ukazatelů např. GWP (skleníkový potenciál použitého chladiva), jako je fluorovodík R 32, resp. R 407H, dále přírodní látky „zelená chladiva“ a jako perspektivní chladivo R 744 (oxid uhličitý – CO₂).

Oxid uhličitý jako staronové chladivo bude mít uplatnění i v tepelných čerpadlech, díky vývoji technologie výroby kompresorů pro chlazení potravin. Jednotlivé generace historického vývoje použití chladiv se vyznačovaly různými hledisky.

V případě první generace byly použity jako funkční chladiva toxické, hořlavé látky, těkavé sloučeniny, ale i amoniak, oxid uhličitý a voda. Během doby druhé generace, s cílem bezpečnosti a trvanlivosti, byly vyvinuty halogenované uhlovodíky jako časově stále, netoxické a nehořlavé sloučeniny – dokud nebylo konstatováno nebezpečí narušování ozonové vrstvy Země.

Třetí generace vývoje se soustředila na ochranu ozonové vrstvy, zákazem výroby a použití chlorovaných uhlovodíků a náhradou fluorouhlíků. Čtvrtá generace se soustředí na zmírnění skleníkového efektu způsobeného činností lidstva.

Pracovní látky pro realizaci činnosti tepelného čerpadla

V současnosti většina tepelných čerpadel (TČ) pracuje s parními kompresorovými oběhy, i když existují TČ řešená na jiných principech, například na absorpčních či adsorpčních, či paroproudových obězích nebo na termoelektrických [4]. V tab. 1 jsou uvedeny ekologické ukazatele vybraných chladiv pro tepelná čerpadla [5, 6 a 7].

Chladiva jako pracovní látky v obězích chladicích, klimatizačních zařízení a tepelných čerpadel měly a mají při úniku do atmosféry Země tyto negativní vlivy:

• poškozují (rozkládají) stratosférickou ochrannou ozonovou vrstvu,
• vytvářejí skleníkový efekt (přispívající ke globálnímu oteplování atmosféry),
• způsobují fotochemické reakce,
• znečišťují ovzduší.

Donedávna převládaly jednosložkové (čisté) látky, které se používaly v obězích kompresorových tepelných čerpadel. V 90. letech minulého století se začaly uplatňovat v kompresorových obězích azeotropní i neazeotropní směsi chladiv [2].

V roce 1974 byla poprvé zveřejněna teorie o rozkladu stratosférického ozonu chlorem. Předpokládalo se, že rozklad ozonu zapříčiňují především produkty z rozkladu halogenovaných uhlovodíků. Na základě této teorie byl započat rozsáhlý výzkum, jehož výsledky si vynutily celosvětové omezení, případně ukončení výroby halogenovaných uhlovodíků s vysokým potenciálem rozkladu ozonové vrstvy Země.

Ozon v stratosférické vrstvě atmosféry absorbuje větší část ultrafialového záření dopadajícího na Zemi. Snížením koncentrace ozonu se zvyšuje působení ultrafialového záření na zemský povrch, což má nebezpečné účinky na živé organismy, a tím i na člověka.

Úsilí o ochranu ozonové vrstvy Země vyústilo do mezinárodních dohod, jejichž cílem je zamezit dalšímu úniku látek poškozujících ozonovou vrstvu atmosféry do ovzduší. Jde konkrétně o Vídeňskou dohodu o ochraně ozonové vrstvy z roku 1985, Montrealský protokol z roku 1987, jeho Londýnský dodatek z roku 1990 a Kodaňský dodatek z roku 1992.

Použití látek poškozujících ozonovou vrstvu Země je podle uvedených mezinárodních dohod třeba ukončit v požadovaných termínech. Z ekologického hlediska byly snahy používat v chladicí technice přírodní látky, např. vodu.

Doposud to umožnila absorpční a adsorpční zařízení. Pokusy používat vodu jako chladivo v zařízeních s objemovými kompresory ztroskotaly na tom, že voda je velmi agresivní ve stavu vakua a destruuje pohyblivé části kompresoru. Samotné udržení vakua v zařízení je také náročné.

Vlastnosti zdroje chladu s chladivem voda

Chladicí zařízení pracuje s přímým odpařováním vody ve vakuově těsném uzavřeném oběhu. Ve výparníku odpařená voda ochlazuje chlazenou vodu. Radiální turbokompresor stlačuje chladivo R 718 (voda) a přitom jeho tlak zvyšuje tlak vypařování na kondenzační tlak.

Stlačená voda se ochlazuje chladicí vodou kondenzátoru. Expanze probíhá z kondenzačního tlaku na tlak vypařování. Voda má ve využité oblasti teplot na mezní křivce sytosti nízký tlak v hodnotě několik mbar. Celý termodynamický proces probíhá při podtlaku mezi 10 a 100 mbar – tlaku, který patří teplotám mezi +5 °C
a 45 °C.

Chladivová voda (náplň v zařízení 60 litrů) při daném chladicím výkonu je čistá, spolehlivá a bezpečná. Realizované teploty chlazené vody začínají při +10 °C. Z vlastnosti principu chlazení pomocí chlazení vodou je toto mimořádně hospodárné při teplotách chladné vody kolem +22 °C a výše [8, 9].

Současné prototypové zařízení má chladicí výkon 35 kW. Pokud by vstupní teplota chladicí vody kondenzátoru byla také +22 °C, hodnota EER (poměr vyrobeného chladicího výkonu a příkonu na pohon zařízení) zařízení by dosahovala hodnotu 7,9 kW/kW (obr. 2).

Tyto zdroje chladu našly uplatnění zejména při chlazení serveroven bank nebo výpočetních středisek. Úkolem v takovém případě je chlazení výpočetního střediska s maximálním výkonem 35 kW s maximální teplotou prostoru 25 °C.

V jednom případě od července 2016 do února zdroj chladu vyrobil cca 80 kWh chladu a spotřeboval 4 MWh elektřiny. To bylo umožněno tím, že od října bylo chlazení zajištěno převážně venkovním vzduchem (volné chlazení – free cooling). Pohled na zdroj chladu s chladicím výkonem je na obr. 3 [8, 9].

Díky konstrukci zdroje chladu a speciálně upravené regulace a řízení je možné plynule přepínat mezi provozními stavy volné chlazení, jednostupňový provoz nebo dvoustupňový provoz, a to při plném chladicím výkonu i při částečném zatížení. Teplota vyrobené chlazené vody zůstává při přepínání chladicího výkonu prakticky ustálená.

Zařízení v provozním režimu volného chlazení, kdy teplota chladicí vody kondenzátoru na vstupu jen o něco nižší, než je požadovaná teplota chlazené vody na výstupu ze zařízení, dosahuje velmi vysoké hodnoty EER. Na obr. 4 jsou znázorněna uspořádání kompaktních hermetických výměníků, které tvoří výparník a kondenzátor zdroje chladu.

Závěr

Použití chladicích zařízení, jako jsou i tepelná čerpadla pro vytápění, přípravu teplé vody a na chlazení v budovách má jasnou budoucnost i v souvislosti s dekarbonizací energetiky. Přehled možných použitých chladiv stále není úplný. Ve vývoji jsou další směsi nejen jako náhrady za halogenovaná chladiva, ale i přírodní, „zelená“ chladiva.

Na závěr popsané chladicí zařízení s ekologickým chladivem našlo uplatnění a je úspěšně provozováno pro chlazení serveroven administrativních budov. Je pravděpodobné, že uplatnění najde i v jiných oblastech budov, kde přichází v úvahu „vysoce teplotní chlazení“ či ve vzduchotechnických zařízeních nebo u systémů stropního chlazení.

Tato práce byla podporována ministerstvem školství, vědy, výzkumu a sportu Slovenské republiky prostřednictvím grantu KEGA 044STU-4/2018.

Literatura:
[1] TOMLEIN, P. 2014. Chladivá v tepelných čerpadlech. Zborník príspevkov 22. medzinárodnej konferencie Vykurovanie 2014, str. 225–228. ISBN 978-80-89216-1.
[2] CALM, J. M. – HOURAHAN, G. C . 2007. Refrigerant Data Update, HPAC Engineering, 79(1):-64, January 2007.
[3] ZOGG, M. 2008. 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. 1988. Tepelné čerpadlá. SNTL/Alfa, 1988.
[5] LIPPOLD, H. – HEIDE, R. 1997. Dimethylether als Kältemittelkomponente, Ki Luft- und Kältetechnik 5/1997, s. 202–205.
[6] FÜRI, B. – ŠVINGÁL, J. 2009. Some experimental results with ammonia base azeotrop refrigerant R 723 in small heat pump. Conference IIR Papiernička 2009. ISBN 978-80-89376-02-2.
[7] PETRÁK, M. 2013. Chladicí technika a tepelná čerpadla pro inteligentní budovy (Výpočtové podklady), ČVUT Praha 2013, ISBN 978-80-01-05341-6.
[8] Chlazení – Odborný časopis pro techniku chlazení a aplikace, 1/2018, s. 32–34.
[9] www.efficient-energy.de Wasser das natürliche Sicherheitskältemittel

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 2/2019.