Czynniki chłodnicze w pompach ciepła

Niewiele osób wie, że czynniki chłodnicze w pompach ciepła mają wpływ na wiele aspektów działania pomp. Dotyczy to zarówno kwestii technicznych, jak i formalnych. Samo wyrażenie „czynnik chłodniczy” w przypadku pompy ciepła jest nieco mylące, jednak chodzi tu o czynnik termodynamiczny, który bierze udział w wymianie ciepła. Czynnik chłodniczy ma więc kluczowe znaczenie dla działania pompy ciepła. Na rynku pomp ciepła dostępne są urządzenia z różnymi czynnikami. Czym kierować się więc przy wyborze pompy ciepła?

Zasada działania pompy ciepła

Przyjrzyjmy się zasadzie działania pompy typu powietrze – woda. Wewnętrzny obieg pompy składa się z parownika, skraplacza, sprężarki oraz zaworu rozprężnego. Wszystkie te elementy składają się na obieg wewnętrzny pompy, w którym krąży czynnik chłodniczy.

Jednostka zewnętrzna poprzez parownik, który jest wymiennikiem ciepła, pobiera energię z powietrza. Ciepło pozyskane z powietrza przekazywane jest w parowniku do czynnika chłodniczego. Następnie, czynnik chłodniczy trafia do sprężarki, która nie tylko wymusza obieg wewnętrzny czynnika, ale przede wszystkim spręża go. Sprężony czynnik chłodniczy o wysokiej temperaturze trafia następnie do skraplacza, przez który przepływa instalacja np. centralnego ogrzewania, odpowiedzialna za zasilenie grzejników ciepłą wodą. Kiedy ciepło zostanie przekazane do instalacji centralnego ogrzewania, zawór rozprężny zaczyna się otwierać, umożliwiając powrót czynnika chłodniczego do parownika.

Na pomysł działającego na tej zasadzie urządzenia chłodniczego wpadł już w 1834 roku amerykański fizyk i wynalazca Jacob Perkins. Zastosowanym przez niego czynnikiem chłodniczym był wówczas eter etylowy.

Czy w pompach ciepła występują fluorowane gazy cieplarniane?

Czynniki chłodnicze stosowane w pompach ciepła, nazywane są także freonami, a więc fluorowanymi gazami cieplarnianymi. Niestety mają one wpływ na tworzenie się efektu cieplarnianego i powiększanie się dziury ozonowej.

Wpływ każdego czynnika na efekt cieplarniany określany jest współczynnikiem GWP (Global Warming Potential), wyrażonym w kg ekwiwalentu CO2. Z kolei wpływ na warstwę ozonową określany jest skrótem ODP (Ozone Depletion Potential).

Unia Europejska dąży do ograniczenia zmian klimatycznych i ograniczenia efektu cieplarnianego, między innymi dzięki zastosowaniu ekologicznych czynników chłodniczych. W 1987 roku podpisany został Protokół Montrealski, który dotyczył między innymi przeciwdziałaniu powstawania dziury ozonowej. W roku 2014 wprowadzone zostało rozporządzenie Unii Europejskiej w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych. Rozporządzenie to zabroniło między innymi stosowania czynnika R22.

W Polsce na tej podstawie w 2017 roku wprowadzono tzw. ustawę F-gazową. Przepisy te porządkują niejako polski rynek w tym zakresie, powodując wycofanie z rynku czynników z grupy fluorowanych gazów cieplarnianych. Wspomniane powyżej przepisy zmuszają producentów pomp ciepła do stosowania czynników chłodniczych, które pozwolą na ograniczenie efektu cieplarnianego i ochronę warstwy ozonowej.

Obowiązek rejestracji pomp ciepła

Ustawa F-gazowa wprowadziła obowiązek rejestracji pomp ciepła zawierających fluorowane gazy cieplarniane, np. R410A, R407C, a więc czynniki chłodnicze stosowane w pompach ciepła. Rejestracja polega na założeniu pompie ciepła, tzw. Karty urządzenia w Centralnym Rejestrze Operatorów (CRO).

Rejestracji podlegają pompy ciepła, które zawierają:

• co najmniej 5 ton ekwiwalentu CO2, dla urządzeń niehermetycznie zamkniętych,
• co najmniej 10 ton ekwiwalentu CO2, dla urządzeń hermetycznie zamkniętych.

Pompa ciepła hermetycznie zamknięta to pompa ciepła typu monoblok, w której układ chłodniczy jest wykonany i napełniony przez producenta urządzenia. Pompa ciepła niehermetycznie zamknięta to pompy ciepła typu split, czyli składająca się z dwóch części – z jednostki montowanej wewnątrz domu i drugiej montowanej na zewnątrz. W tym wypadku instalator musi wykonać część układu chłodniczego łączącego obie jednostki, w którym będzie krążył czynnik chłodniczy pompy ciepła (F-gaz).

Tona ekwiwalentu CO2 – jest to sposób na określenie ile czynnika chłodniczego znajduje się w pompie ciepła. Ilość czynnika podawana jest zwykle w kilogramach i musi zostać przeliczona na ekwiwalent CO2. Dla pomp typu monoblok i czynnika R410A jest to ≥ 2,4 kg czynnika w układzie pompy ciepła, natomiast dla R407C jest to ≥ 2,8 kg czynnika w układzie pompy ciepła.

Pompy ciepła z czynnikiem R410A powyżej 2,4 kg wymagają obowiązkowej rejestracji w CRO oraz corocznych kontroli szczelności, wykonywanych przez firmy z uprawnieniami F-gaz.

Klasyfikacja czynników chłodniczych

Czynniki chłodnicze można podzielić na grupy, zależnie od ich stopnia palności oraz toksyczności.

W przypadku palności substancji stosuje się oznaczenie cyfrowe, gdzie:

• 1 – czynniki niepalne,
• 2 – czynniki palne,
• 2L – czynniki umiarkowanie palne,
• 3 – czynniki łatwopalne lub wybuchowe.

Toksyczność określana jest natomiast literą:

• A – niska toksyczność
• B – wysoka toksyczność

Czynniki palne nakładają na producentów pomp ciepła zobowiązania do zachowania dodatkowych środków bezpieczeństwa dla użytkowników urządzeń z tym czynnikiem. Stosowane przez producentów pomp czynniki R410A oraz R134a to czynniki chłodnicze należące do grupy A1, czyli charakteryzują się zarówno niepalnością, jak i niską toksycznością, dzięki czemu są bezpieczne dla użytkownika.

Czynniki chłodnicze stosowane w pompach ciepła

Wprowadzenie w 2014 roku ograniczeń formalnych spowodowało, że czynnik R22, który wpływał na efekt cieplarniany oraz niszczył warstwę ozonową, został wycofany. Od tego czasu najpowszechniej stosowanym czynnikiem jest R410A.

Czynnik R410A zawiera po 50% czynnika R32, który ma bardzo dobre własności energetyczne, ale jest lekko palny oraz z czynnika R125, którego własności energetyczne są mizerne, ale obniżają do zera jego palność.

Najbardziej obecnie popularnym czynnikiem jest czynnik chłodniczy R32, który jest także powszechnie stosowany w klimatyzacji.

Najważniejsze cechy czynnika R32 to:

• niskie GWP na poziomie 675,
• dla urządzenia o tej samej wydajności chłodniczej potrzeba nawet do 30% mniej czynnika R32,
• ma lepszą przewodność cieplną i mniejszą lepkość, a dzięki temu większą wydajność chłodniczą i efektywność energetyczną,
• napełniona tym czynnikiem pompa ciepła może mieć wyższą klasę energetyczną.

Od stycznia 2025 roku wejdzie w życie zakaz stosowania czynników z GWP większym niż 750. Z tego powodu pompy ciepła z czynnikiem R410A przestaną być oferowane.

 Alternatywne czynniki chłodnicze

Jednym z czynników, które coraz częściej stosują producenci pomp ciepła i jednocześnie jest on klasyfikowany w grupie ekologicznych czynników chłodniczych jest propan. R290, bo takie jest jego oznaczenie, cechuje się niskim potencjałem globalnego ocieplenia – GWP 3. Propan ma dobre własności termodynamiczne, dzięki czemu może uzyskiwać COP wyższe nawet o 40% w stosunku do starszych czynników.

Jedyny problem to jego palność, więc może być obecnie stosowany tylko w pompach typu monoblok.