Czy przyszłością są propanowe pompy ciepła?

Wprowadzenie

Pomp ciepła na rynku jest i będzie coraz więcej! Międzynarodowa Agencja Energii (IEA) podała, że do 2050 roku na całym świecie powinno pracować już 1,8 miliarda pomp ciepła! Oznacza to, że nawet co piąty człowiek na świecie będzie w posiadaniu takiej instalacji. Szczególne znaczenie dla przyszłego rozwoju rynku pomp ciepła w Europie ma opublikowana przez Międzynarodową Agencję Energetyczną (IEA) 18 maja 2021 r. mapa drogowa "Net Zero by 2050". Raport ten wskazuje, że do 2045 r. elektryczne pompy ciepła mają zaspokajać połowę globalnego zapotrzebowania na ciepło, a w 2050 r. ‒ blisko 2/3 ciepła w krajach rozwiniętych [9].

Podobne trendy występują w Europie. IEA przewiduje również, że na przestrzeni kolejnych siedmiu lat w Europie będzie pracować dodatkowych 30 mln nowych pomp ciepła. Natomiast Europejskie Stowarzyszenie Pomp Ciepła (EHPA) podaje, że do roku 2030 kraje europejskie mogą zainstalować ponad 43,2 miliona nowych jednostek pomp ciepła do ogrzewania i przygotowywania c.w.u. Dokładając tę liczbę do istniejących już 20 milionów zainstalowanych pomp ciepła, według dostępnych danych całkowita liczba pomp ciepła w Europie osiągnie blisko 60 milionów jednostek do końca 2030 roku [12].

Rys. 1. Sprzedaż pomp ciepła w EU wg EHPA (wliczono pompy ciepła powietrze/woda, powietrze/powietrze z funkcją grzania, solanka/woda, do c.w.u. i inne) [14]

Ok, ale jakie będą te pompy ciepła w przyszłości? Technologia w zakresie konstrukcji na pewno będzie się rozwijać i zmierzać w kierunku ich standaryzacji i kompaktowości. Coraz więcej pomp ciepła będzie zasilanych czynnikami o niskim wskaźniku tworzenia efektu cieplarnianego – do takich czynników klasyfikuje się właśnie propan R290 [9][10][11].

Wycofywanie czynników z grupy CFC – chlorofluorowęglowodory (freony) i HCFC - wodorochlorofluorowęglowodory (organiczne związki chemiczne z grupy freonów) w Europie zrodziło wątpliwości: jaki jest najlepszy zamiennik tych czynników? Tutaj coraz więcej głosów pada na naturalne czynniki chłodnicze. Są to substancje, które powstały w wyniku procesów naturalnych, posiadające podobne właściwości, co tradycyjne czynniki, ale mające znikomy wpływ na efekt cieplarniany czy warstwę ozonową. Najpopularniejsze z nich to [3][4][5]:

• czynnik R744, wszystkim znany jako zwykły dwutlenek węgla,

• R717, czyli amoniak,

• R290 – propan,

• izobutan R600a.

Przyszłość naturalnych czynników chłodniczych jest obecnie tematem numer jeden wśród producentów pomp ciepła. Propan zdecydowanie jest warty uwagi, ponieważ ma doskonałe właściwości termodynamiczne, z tego względu znajduje coraz większe zastosowane w powietrznych pompach ciepła. Pompa ciepła wykorzystująca propan R290, o którym dziś więcej powiemy, nie wymaga rejestracji w Centralnym Rejestrze Operatorów – z racji tego, że nie zawiera związków chloru, fluoru i ma zerowy wpływ na środowisko. Ma on bowiem znikomy wpływ na efekt cieplarniany (GWP = zaledwie 3) oraz zerowy potencjał niszczenia warstwy ozonowej (ODP = 0) – rys 2.

Rys. 2. Porównanie GWP dla różnych czynników chłodniczych [3][7][8][10]

Propan R290 dobrze miesza się z olejem, co umożliwia uzyskiwanie niższej temperatury tłoczenia i często lepszych o 10÷15% wskaźników efektywności chłodzenia niż czynniki R134a lub R404A. Także różnice ciśnień roboczych są korzystniejsze niż przy innych popularnych czynnikach typu R404A, R407C i R410A, co prowadzi do obniżenia emisji hałasu przez jednostkę zewnętrzną [3][4][6][7][8].

Czynnik ten od wielu lat jest znany w chłodnictwie, szczególnie w urządzeniach małej mocy (wspomniane wcześniej lodówki). Swego czas wycofany ze względu na zagrożenie wybuchowe (tzw. klasa A3 – jest on łatwopalny). Obecnie biorąc pod uwagę coraz częstsze wykorzystanie monobloków stanowi on bardzo dobrą alternatywę dla czynników syntetycznych. Poniżej (rys. 3) zestawiono potencjał i ograniczenia tego czynnika [4][10][11][4][7].

Rys. 3. Potencjał zastosowania w pompach ciepła i ograniczenia propanu [3][4][7][8][9]

Warto wspomnieć o tym, że propan R290 ma o połowę mniejsza gęstość niż w przypadku popularnego czynnika R410 oraz R32. Masę 700g czynnika R410 można zastąpić 271 g czynnika R290! Czyli może być go po prostu w instalacji chłodniczej pompy ciepła mniej dla uzyskania tej samej wydajności! W przypadku R410 czynnika w postaci propanu może być nawet 5-krotnie mniej. Czynnik ten ma bowiem wyższe ciepło parowania niż konkurencyjny czynnik syntetyczny. Efekt to wspomniany niższy ekwiwalent CO2 oraz po prostu niższy koszt z racji mniejszej wymaganej ilości czynnika [1][8][9][10].

Rys. 4. Wymagane cieśnienia tłoczenia dla różnych czynników chłodniczych [1][15]

Czynnik ten ma duże współczynniki przewodzenia ciepła oraz możemy stosować niższe ciśnienia tłoczenia w porównaniu do R32 oraz R410 (rys. 4). Czyli jest to po prostu bezpieczniejszy czynnik! W przypadku małych ilości czynnika w instalacji nie musimy go w przypadku serwisu utylizować. Oczywiście warto wspomnieć o wskazywanych ograniczeniach poza wybuchowością w postaci dość uciążliwej cechy polegającej na tym, że jest on cięższy od powietrza – może zatem zalegać w przypadku nieszczelności w zamkniętych objętościach budynku (kotłownia, rury odprowadzania kondensatu w gruncie, instalacji deszczowej są zakazane) i wywołać wybuch w przypadku iskry. Zdarza się to jednak bardzo rzadko. Aby taki zapłon nastąpił musi nastąpić obok siebie kilka czynników postaci odpowiedniej mieszanki (min 21% tlenu i odpowiednio wysokie stężenie propanu) oraz źródła ognia czy ciepła. W przypadku odpowiedniej wentylacji pomieszczeń oraz wykonania instalacji w kotłowni sytuacja bardzo mało prawdopodobna [4][5][6][8][10].

Na dzień dzisiejszy nie są wymagane dodatkowe uprawnienia do obsługi urządzeń zawierających propan jako czynnik chłodniczy. Sytuacja ta może się jednak zmienić w przyszłości, bo są propozycje aby takie uprawnienia były wymagane. W Polsce są dostępne szkolenia które uzupełniają wiedze serwisową o postępowaniu z czynnikami palnymi z grupy A3 [1][3][7][8][9].

Kolejnym ważnym punktem in plus dla czynnika R290, zwłaszcza gdy mówimy o powietrznych pompach ciepła, jest bardzo korzystana koperta pracy. Biorąc pod uwagę coraz częstsze stosowanie pomp ciepła w budynkach modernizowanych z ogrzewaniem grzejnikowym, a nie płaszczyznowym, daje to przewagę instalacjom propanowym. Czynnik w postaci propanu R290 ma wyższą temperaturę krytyczną – możliwe jest jego skraplanie w wyższych temperaturach. Mamy więc wyższe temperatury w skraplaczu – więcej ciepła możemy przekazać do wody w układzie grzewczym w porównaniu do klasycznych rozwiązań [1][2][3][5][7].

Rys. 5. Koperty pracy pomp ciepłą z zastosowaniem czynnika R290 oraz R410A w układzie z EVI oraz bez EVI [7][8]

W tradycyjnych pompach ciepła typu powietrze-woda temperatura podgrzewania c.w.u. wynosi około 45ºC-50ºC bez dodatkowego wspomagania np. systemem EVI. W niektórych określonych jednostkach można osiągnąć temperaturę do 60ºC, ale w przypadku R290 pompy ciepła mogą wytworzyć temperaturę powyżej 70ºC ! Jest to bardzo ważne dla produkcji c.w.u. lub w przypadku zastosowania pompy ciepła do ogrzewania grzejnikowego [1][2].

Podsumowanie

Obecnie na rynku mamy do czynienia z dużą różnorodnością jeśli chodzi o modele pomp ciepła. W Europie istnieje ich około 10 tysięcy. Poza konstrukcją jest także bardzo duża różnorodność pod względem stosowanych czynników chłodniczych. Krok w kierunku wąskiego stosowania typów czynników chłodniczych wydaje się bardzo pożądany tym bardziej, że to krok podyktowany ekologią [13].

Są tacy którzy twierdzą, że Europa za szybko odchodzi od czynników syntetycznych, ale o powodach (szczególnie gospodarczych) wdrażania czynników naturalnych już na tym blogu dyskutowaliśmy.

Wdrażanie na rynku pomp ciepła z czynnikiem w postaci propanu R290 powoduje znaczące korzyści ekologiczne, ekonomiczne oraz energetyczne. Według Szwedzkiego Stowarzyszenia Chłodnictwa propan R290 jest już stosowany w większości domowych urządzeń chłodniczych, a także będzie dominował w pompach ciepła do domów jednorodzinnych [6][7][8].

Reasumując w niniejszym artykule pokazaliśmy, że pompy ciepła z czynnikiem chłodniczym w postaci propanu R290 to:

• większa wydajność chłodnicza przy mniejszej ilości czynnika chłodniczego zastosowanego w pompie ciepła;

• brak zawartości w propanie związków fluoru oraz chloru, dzięki czemu R290 ma znikomy negatywny wpływ na środowisko naturalne. Dlatego też gaz ten nie musi być rejestrowany w Centralnym Rejestrze Operatorów;

• możliwe niższe temperatury otoczenia pracy pompy ciepła - dzięki zastosowaniu czynnika R290. Pompy ciepła z tym czynnikiem mogą pracować przy temperaturze powietrza zewnętrznego, która wynosi nawet do -25°C;

• możliwość obniżenia hałasu podczas pracy pompy ciepła;

• możliwość uzyskania wyższych temperatur zasilania, dzięki czemu pompy ciepła z tym czynnikiem z powodzeniem sprawdzają się w modernizowanych domach i instalacjach, które wymagają wysokich temperatur;

• bezpieczeństwo instalacji podczas montażu oraz eksploatacji pod warunkiem zachowania odpowiednich narzędzi (serwis na układzie chłodniczym wymaga zastosowania specjalnych narzędzi i wiedzy) i procedur instalatorskich;

• brak wymagań (na dzień dzisiejszy) specjalnych certyfikatów dla instalatorów z uwagi na propan.

Źródła:

1. Rubik M.: Chłodnictwo i pompy ciepła. Wydanie III, Grupa MEDIUM, Warszawa 2023

2. Mania T., Kawa J.: Inżynieria instalacji pomp ciepła. Monografia pod redakcją A. Mrozińskiego. Wydawnictwo Grafpol. Bydgoszcz 2016

3. https://www.instalacjebudowlane.pl/11941-23-84-propan-r290--naturalny-czynnik-chlodniczy-przyszloscia-branzy-pomp-ciepla.html (dostęp 07.2023r.)

4. https://okieminzyniera.pl/jaka-jest-przyszlosc-pomp-ciepla-rozmowa-z-robertem-kaluznym/ (dostęp 07.2023r.)

5. https://www.ekspertbudowlany.pl/artykul/nowe-warunki-techniczne/286673,pompy-ciepla-na-propanie-r290-rewolucja-czy-koniecznosc (dostęp 07.2023r.)

6. https://www.linkedin.com/pulse/r290-future-refrigerant-air-source-heat-pumps-adrian-p%C3%A9rez-solla/ (dostęp 07.2023r.)

7. https://hvacpr.pl/okiem-praktyka/czy-czynnik-propan-r290-zastapi-r32-w-pompach-ciepla (dostęp 07.2023r.)

8. https://ik.pl/baza-wiedzy/porady/czynnik-chlodniczy-r290-w-pompach-ciepla-ekologiczna-przyszlosc-ludzkosci (dostęp 07.2023r.)

9. https://businessinsider.com.pl/technologie/jaka-jest-przyszlosc-rynku-ciepla-i-chlodu/p4w7dnn (dostęp 07.2023r.)

10. https://globenergia.pl/dwutlenek-wegla-propan-r32-a-moze-ciagle-r410a-ktory-czynnik-jest-przyszloscia-dla-pomp-ciepla-posluchaj-ekspertow/ (dostęp 07.2023r.)

11. https://www.industrie-energieforschung.de/propan_kaeltekreis_waermepumpen (dostęp 07.2023r.)

12. https://globenergia.pl/czy-co-piata-osoba-na-swiecie-bedzie-miala-pompe-ciepla/ (dostęp 07.2023r.)

13. https://globenergia.pl/czy-na-rynku-bedzie-coraz-mniej-modeli-pomp-ciepla/ (dostęp 07.2023r.)

14. https://globenergia.pl/20-mln-pomp-ciepla-zapobieglo-emisji-525-mt-co2/ (dostęp 07.2023r.)

15. https://www.quora.com/What-is-the-suction-pressure-for-R290-for-an-AC-unit (dostęp 07.2023r.)