Технологии охлаждения и хладагенты
Изменение климата – один из серьезнейших вызовов для будущего всего человечества. Практически все ученые мира едины во мнении: чтобы справиться с проблемой глобального потепления, необходимо существенно сократить выбросы парниковых газов в атмосферу.
В 2020 году Российская Федерация присоединилась к Кигалийской поправке к Монреальскому протоколу по веществам, разрушающим озоновый слой, взяв на себя обязательство поэтапного сокращения потребления 18 ГФУ – синтетических парниковых газов, отличающихся крайне высоким потенциалом глобального потепления.
Основная область применения этих 18 ГФУ – холодильное оборудование. Если вовремя не принять необходимых мер, ограничение допустимых объемов ежегодного потребления ГФУ неизбежно приведет к дефициту и перебоям с поставками хладагентов для заправки нового и обслуживания имеющегося оборудования. В такой ситуации разумной представляется организация перехода холодильной отрасли на природные хладагенты.
Природные хладагенты, такие как аммиак, диоксид углерода, углеводороды, безопасны для озонового слоя и климата Земли. Они производятся российскими предприятиями, и объемы производства и потребления не ограничиваются требованиями международного и национального экологического законодательства.
Однако подготовка такого перехода требует стратегического подхода. Прежде всего, необходимо провести анализ возможностей перевода различных секторов холодильной индустрии Российской Федерации на доступные природные хладагенты и хладагенты с низким ПГП.
Основой для такого анализа может стать представленная таблица, в которой обобщены сведения о хладагентах – как синтетических (ГФУ), так и природных (аммиак, CO2, углеводороды) – применяющихся в различном холодильном и климатическом оборудовании.
| Sector/ Сектор | Sub-sector/ Подсектор | Refrigerant charge (kg)/Заправка хладагентом (кг) |
Refrigerants/Хладагенты | Производство хладагентов в Российской Федерации |
|---|---|---|---|---|
| Refrigeration / Холодильное оборудование | Domestic refrigerators and freezers/Бытовые холодильники и морозильные камеры | 0.1-0.3 | HFC-134a | |
| HC-600a (изобутан) | Производится в РФ | |||
| Commercial refrigeration systems (stand alone, condensing units and small/medium sized systems) / Коммерческие системы охлаждения (автономное оборудование, компрессорно-конденсаторные блоки, системы малого и среднего размера) | 0.1-200 | R-404A | ||
| HFC-134a | ||||
| HC-290 (пропан) | Производится в РФ | |||
| R-407A | ||||
| R-744 (CO2) | Производится в РФ | |||
| Другие (укажите) | ||||
| Large systems / Крупные системы | 250-5,000 | R-717 (аммиак) | Производится в РФ | |
| R-507A | ||||
| R-404A | ||||
| R-744 (CO2) | Производится в РФ | |||
| HCs (углеводородные хладагенты) | Производится в РФ | |||
| Другие (укажите) | ||||
| Industrial chiller system / Промышленная система охлаждения на базе чиллера | 100-2,000 | R-404A | ||
| HFC-134a | ||||
| R-744 (CO2) | Производится в РФ | |||
| R-717 (аммиак) | Производится в РФ | |||
| Другие (укажите): R-407C | ||||
| Transport refrigeration (containers and ships) / Транспортное охлаждение (контейнеры и суда) |
1-1,000 | R-404A | ||
| HFC-134a | ||||
| R-744 (CO2) | Производится в РФ | |||
| R-717 (аммиак) | Производится в РФ | |||
| Другие (укажите) | ||||
| Medical units / Устройства медицинского назначения | HFC-134a | |||
| R-404A | ||||
| Air-conditioning and heat pumps / Кондиционирование воздуха и тепловые насосы | Room air-conditioning (including small split air-conditioning)/Бытовые кондиционеры воздуха (включая настенные сплит-системы) | 0.2-3 | R-410A | |
| R-407C | ||||
| HFC-161 | ||||
| HFC-32 | ||||
| HC-290 (пропан) | Производится в РФ | |||
| Другие (укажите) | ||||
| Vehicle: Cars and small vans / Транспорт: легковые автомобили и микроавтобусы | 0.4-0.8 | HFC-134a | ||
| HFO-1234yf | ||||
| Другие (укажите) | ||||
| Vehicle: Large vehicles / Транспорт: крупногабаритные автомобили | 2.0-10.0 | R-410A | ||
| R-407C | ||||
| HFC-134a | ||||
| Другие (укажите) | ||||
| Other air-conditioning (including split, multi-split and variable refrigerant flow systems, ducted and package rooftop)/Прочие системы кондиционирования (включая сплит-системы, мульти-сплит-системы, VRF-системы и руфтопы) |
3-100 | R-410A | ||
| R-407C | ||||
| HFC-161 | ||||
| HFC-32 | ||||
| HC-290 (пропан) | Производится в РФ | |||
| R-744 (CO2) | Производится в РФ | |||
| Другие (укажите) | ||||
| Chillers (small/medium sized water chillers, large sized water chillers) / Чиллеры (малые/средние/большие) |
500-13 000 | R-407C | ||
| R-410A | ||||
| HC-290 (пропан) | Производится в РФ | |||
| HC-1270 | Производится в РФ | |||
| HFC-134a | ||||
| HFC-32 | ||||
| R-717 (аммиак) | Производится в РФ | |||
| Другие (укажите): R-404A | ||||
| Heat pumps (space heating heat pumps (air-water) and domestic hot water heating heat pump (air source) / Тепловые насосы (для отопления помещений ("воздух-вода") и для нагрева горячей воды (воздушные) |
3-6 | R-410A | ||
| R-744 (CO2) | Производится в РФ | |||
| HFC-134a | ||||
| Другие (укажите) | ||||
| Large district heating system (waste sewage) / Крупные системы центрального отопления (сточные воды) | 250-7,000 | HFC-134a | ||
| R-717 (аммиак) | Производится в РФ | |||
| Другие (укажите) |
Холодильное оборудование
Бытовые холодильники и морозильные камеры
Данный подсектор объединяет бытовые холодильные приборы для хранения охлажденных и замороженных пищевых продуктов, а также напитков. К таким приборам относятся бытовые холодильники, морозильники и комбинированные устройства, имеющие как холодильную, так и морозильную камеры.
С точки зрения конструкции большинство бытовых холодильников и морозильников — герметичные системы заводского изготовления с электрическим приводом, использующие парокомпрессионный цикл охлаждения.
Основные хладагенты, использующиеся в новых бытовых холодильниках — это HC-600a (изобутан) и HFC-134a. HC-600a доминирует в сегменте, и его доля продолжает увеличиваться.
Коммерческие системы охлаждения
Коммерческие системы охлаждения предназначены для хранения и демонстрации продуктов питания и напитков на предприятиях торговли и поддержания соответствующего температурного режима — как правило, 0…+8°С (среднетемпературный холод) либо -18…-25°С (низкотемпературный холод).
Холодопроизводительность коммерческих систем – от нескольких сотен ватт до 1,5 МВт.
Автономное оборудование – это разнообразные отдельно стоящие холодильные системы, такие как морозильники для мороженого, машины для производства льда, торговые автоматы и холодильные витрины. Как правило, в современном оборудовании этого типа используются природные хладагенты – углеводороды или CO2 (R-744).
Компрессорно-конденсаторные блоки (ККБ) – обычно имеют холодопроизводительность от 1 до 20 кВт и представляют собой конструкцию из одного-двух компрессоров, конденсатора и ресивера, собранных в едином корпусе. ККБ, как правило, используются для снабжения холодом одной или нескольких холодильных витрин, небольших холодильных камер и устанавливаются вне обслуживаемого помещения.
Системы малого и среднего размера – как правило используют непосредственное кипение (DX) хладагента. Такие системы обычно обслуживают одного потребителя холода и располагаются рядом с ним.
Крупные системы
Крупные системы используются, например, для снабжения холодом аппаратов шоковой заморозки, охлаждения производственных процессов, обслуживания холодильных складов. Хладагент подается по трубам от машинного зала, где расположены мощные холодильные компрессоры, к испарителям потребителей холода. Длина трубопровода хладагента в таких системах может измеряться сотнями метров. Холодопроизводительность таких систем составляет, как правило, 100 – 5000 кВт. В низкотемпературных системах, обеспечивающих охлаждение до температур ниже -20°С по соображениям энергоэффективности предпочтительнее использовать двухступенчатое сжатие.
Промышленные системы охлаждения на базе чиллера
В системах на базе чиллера холод к потребителям подается посредством холодоносителя, охлаждаемого чиллером. Обычно холодопроизводительность таких систем лежит в диапазоне от 200 до 5000 кВт.
Транспортное охлаждение (контейнеры и суда)
Транспортные холодильные системы, как правило, используются для перевозки охлажденных и замороженных продуктов питания, а также напитков. В данном сегменте, представлены, в частности, интермодальные (то есть, предназначенные для перевозки различными видами транспорта) рефрижераторные контейнеры, а также холодильные установки на судах (рефрижераторных, рыбопромысловых, пассажирских и других).
Особенность большинства транспортных холодильных систем – возможность эксплуатации в широком диапазоне наружных температур (от -30 до +50°С), а также способность поддерживать как среднетемпературный (0…+8°С), так и низкотемпературный (-18…-25°С) холод.
Холодильные установки рефрижераторных контейнеров используют непосредственное кипение хладагента (DX), на судах применяются холодильные установки как с непосредственным кипением, так и с вторичным холодоносителем.
Устройства медицинского назначения
Медицинские холодильники и морозильники предназначены для хранения различных медикаментов, вакцин, препаратов и компонентов крови. Среди основных требований к такому оборудованию – надежность, бесперебойная работа даже в нештатных условиях, точность поддержания заданной температуры.
h2. Кондиционирование воздуха и тепловые насосы
Бытовые кондиционеры воздуха (включая сплит-системы)
К бытовым кондиционерам воздуха относят моноблочные (оконные, мобильные, сквозьстенные (TTW) и «подоконные» (PTAC)) устройства, а также небольшие сплит-системы.
Ежегодный объем производства бытовых моноблоков оценивается в 10 млн единиц оборудования, сплит-систем – в 75 млн.
Транспорт: легковые автомобили и микроавтобусы
Как правило, для создания комфортного микроклимата в салоне легкового автомобиля или микроавтобуса используется парокомпрессионный холодильный контур с в сочетании с системой вентиляции. Для обогрева салона используется тепло работающего двигателя, отводимое контуром теплоносителя. Сочетание охлаждения и обогрева обеспечивают осушение воздуха, что предотвращает запотевание окон.
Транспорт: крупногабаритные автомобили
Основная система кондиционирования грузовиков конструктивно похожа на систему, использующуюся в легковых автомобилях, отличаясь большей заправкой хладагента из-за большей протяженности труб, соединяющих компрессор с кабиной. Для обеспечения комфортных условий во время стоянки часто используется вспомогательная система кондиционирования. Она похожа на обычный бытовой кондиционер с выносным конденсатором, внутренним блоком и вспомогательным компрессором с электроприводом.
По сравнению с легковыми автомобилями системы кондиционирования воздуха в автобусах отличаются большими размерами, более высокой холодопроизводительностью и большей заправкой хладагентом. Кроме того, такие системы работают в более широком диапазоне наружных температур – от -30 до +50°С. Конструктивно система кондиционирования автобуса, как правило, представляет собой устройство для монтажа на крыше или в задней части транспортного средства. Компрессор приводится в движение двигателем автобуса с помощью ременной передачи.
Прочие системы кондиционирования (включая сплит-системы, мульти-сплит-системы, VRF-системы и руфтопы)
Сплит-системы – кондиционеры бытового и коммерческого назначения, состоящие из наружного и внутреннего блоков, соединенных трубопроводом хладагента. В наружном блоке располагаются компрессор и конденсатор, а во внутреннем, который монтируется на стене, под потолком или на полу обслуживаемого помещения, находятся испаритель и вентилятор.
В местах с холодным климатом популярны сплит-системы с функцией теплового насоса, которые зимой и в межсезонье можно переключить в режим обогрева и использовать для отопления помещений.
Мульти-сплит-системы отличаются от сплит-систем возможностью подключить к наружному блоку несколько внутренних блоков. Чем больше внутренних блоков, тем больше суммарная длина трубопровода хладагента.
VRF-системы также допускают подключение нескольких внутренних блоков. Основное отличие от мульти-сплит-систем – возможность регулировать поток хладагента в зависимости от тепловой нагрузки. В некоторых конфигурациях режим работы каждого внутреннего блока (охлаждение или обогрев) может выбираться независимо от остальных, таким образом, одна VRF-система может одновременно охлаждать одни помещения и обогревать другие.
Крышные кондиционеры (руфтопы) представляют собой моноблочную конструкцию, в состав которой входят блок из вентиляторов и испарителя, соединенный воздуховодом с системой вентиляции, а также блок, включающий в себя конденсатор (обычно – воздушного охлаждения) и компрессор (чаще всего – спиральный, но встречаются модели с поршневыми и винтовыми компрессорами).
Чиллеры (малые/средние/большие)
Данный подсектор включает чиллеры (водоохладители), используемые для кондиционирования здания и для холодоснабжения некоторых производственных процессов. Для кондиционирования воздуха в крупных зданиях нередко используются водяные системы с принудительной циркуляцией, соединенный с центральной чиллерной установкой. В ряде стран чиллеры могут использоваться и в относительно небольших зданиях, конкурируя со сплит-, мульти-сплит-, VRF-системами и руфтопами.
Подсектор условно делится на два сегмента: малые и средние чиллеры и большие чиллеры.
В малых и средних чиллерах обычно используются испаритель непосредственного кипения хладагента (DX) и воздушное охлаждение конденсатора. В больших чиллерах используют затопленный испаритель, водяное охлаждение конденсатора и мощные компрессоры винтового или центробежного типа.
Тепловые насосы для отопления помещений и нагрева горячей воды
Сектор тепловых насосов очень велик, он включает устройства бытового и коммерческого и промышленного назначения теплопроизводительностью от нескольких киловатт до многих мегаватт.
Одним из признаков, использующихся для классификации тепловых насосов, является источник тепловой энергии:
- наружный воздух
- вода (река или подземные воды)
- грунт или геотермальное тепло
- бросовое тепло
Еще один признак – способ доставки тепла потребителю. Так, тепловой насос может использоваться для:
- воздушного отопления помещений посредством воздуховодов
- водяного отопления (с помощью радиаторов отопления или теплого пола)
- подготовки горячей воды для бытовых нужд
Выбор походящего хладагента зависит от требуемого рабочего диапазона температур, определяемого сочетанием источника и потребителя тепла.
Крупные системы центрального отопления (сточные воды)
Крупные системы центрального отопления на базе мощных чиллеров-тепловых насосов, предназначенные для обеспечения теплом целых городских кварталов, могут использовать в качестве источника тепловой энергии тепло сточных вод.
Теплопроизводительность таких систем может достигать нескольких мегаватт.
Хладагенты
ГФУ
HFC-134a. Монокомпонентный гидрохлорфторуглерод, ОРС=0, ПГП=1430. Группа опасности А1 (нетоксичен, негорюч), при использовании в холодильном оборудовании наиболее эффективен в среднетемпературном холоде, также применяется в системах кондиционирования автомобилей.
HFC-161. Монокомпонентный гидрохлорфторуглерод, ОРС=0, ПГП=6. Основная область применения – бытовые и коммерческие системы кондиционирования воздуха.
R-404A. Смесевой ГФУ-хладагент с малым температурным глайдом (квазиазеотропная смесь). ОРС=0, ПГП=3921,6. Группа опасности А1 (нетоксичен, негорюч). Основная область применения – холодильное оборудование, наиболее эффективен в низкотемпературном холоде.
R-407A. Смесевой зеотропный ГФУ-хладагент. ОРС=0, ПГП=2107. Группа опасности А1 (нетоксичен, негорюч). Основная область применения – холодильное оборудование, может рассматриваться как альтернатива R-404A с меньшим ПГП.
R-407C. Смесевой зеотропный ГФУ-хладагент, сходны по свойствам с ГХФУ-22. ОРС=0, ПГП=1773,85. Группа опасности А1 (нетоксичен, негорюч). Области применения – промышленное и бытовое кондиционирование, средне- и низкотемпературное холодильное оборудование.
R-410A. Смесевой ГФУ-хладагент с малым температурным глайдом (квазиазеотропная смесь). ОРС=0, ПГП=2087,5. Группа опасности А1 (нетоксичен, негорюч). Основная область применения – системы кондиционирования воздуха.
Собственное производство ГФУ в Российской Федерации отсутствует. Допустимые объемы ежегодного производства и потребления ГФУ ограничены в соответствии с требованиями Кигалийской поправки к Монреальскому протоколу, установившей график поэтапного сокращения потребления. Соответственно, ограничен разрешенный объем импорта ГФУ, для ввоза ГФУ в страну компаниям-импортерам необходимо оформлять разрешительные документы.
Аммиак
R-717. Природный хладагент. ОРС=0, ПГП=0. Группа опасности B2 (B2L) – токсичен, трудногорюч. Основная область применения – крупные холодильные системы.
Горючесть и токсичность аммиака требуют соблюдения соответствующих требований безопасности. Персонал, работающий с аммиаком, должен иметь необходимую подготовку и квалификацию.
Российская Федерация—является крупным производителем и одним из ведущих мировых экспортеров аммиака.
Диоксид углерода (CO2)
R744. Природный хладагент. ОРС=0, ПГП=1. Группа опасности А1 (нетоксичен, негорюч). Основная область применения – коммерческое холодильное оборудование.
Особенности CO2 требуют от работающего с ним персонала необходимой подготовки и квалификации.
CO2 широко представлен в ассортименте российских производителей, а объем его производства и потребления не ограничивается требованиями международного и национального экологического законодательства.
Углеводороды
HC-290 (пропан) – углеводородный хладагент. ОРС=0, ПГП < 1. Группа опасности А3 (нетоксичен, горюч). Основная область применения – бытовые кондиционеры воздуха, коммерческое холодильное оборудование.
HC-600a (изобутан) – углеводородный хладагент. ОРС=0, ПГП < 1. Группа опасности А3 (нетоксичен, горюч). Основная область применения – бытовые холодильники и морозильники.
HC-1270 (пропилен)—углеводородный хладагент. ОРС=0, ПГП < 1. Группа опасности А3 (нетоксичен, горюч). Основная область применения – малые и средние чиллеры.
Способность углеводородов к воспламенению требуют соблюдения соответствующих требований безопасности. Персонал, работающий с УВ-хладагентами, должен иметь необходимую подготовку и квалификацию.
В 2021 году российский производитель углеводородных хладагентов HC-290 (пропан), HC-600 (бутан), HC-600a (изобутан) ООО «НПП Синтез» объявил о расширении ассортимента и начале производства хладагента HC-1270 (пропилен). Таким образом, в Российской Федерации производятся все наиболее популярные УВ-хладагенты.