Kältemaschinen werden bei niedrigem Verbrauch umweltfreundlich

Ende letzten Jahres stellte die Environmental Protection Agency (EPA) einen Regelentwurf vor, der ihren strategischen Ansatz darlegte, die Verwendung von HFKW mit hohem Treibhauspotenzial in neuen Klimaanlagen und gewerblichen Kühlsystemen zu eliminieren. Diese Regelsetzung ist ein integraler Bestandteil des AIM-Gesetzes, das die EPA anweist, die Produktion und den Verbrauch von HFKW bis 2036 um 85 % zu reduzieren.

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Im Rahmen dieser Regelung schlug die EPA ab dem 1. Januar 2025 einen Grenzwert von 700 GWP für die meisten neuen Komfortkühlgeräte, einschließlich Kältemaschinen, vor. Dies überraschte viele in der HVAC-Branche, da erwartet wurde, dass die EPA für die meisten Geräte einen Grenzwert von 750 GWP vorschlagen würde Komfortkühlgeräte sowie ein Übergangsdatum vom 1. Januar 2024 für Kältemaschinen im Einklang mit dem HFKW-Ausstieg in Kalifornien.

Diese Daten könnten sich noch ändern, da die endgültige Regelung der EPA erst später in diesem Jahr verfügbar sein wird. Glücklicherweise wird der vorgeschlagene GWP-Grenzwert von 700 voraussichtlich keine negativen Auswirkungen auf die Entscheidungen der Hersteller hinsichtlich der Wahl der Kältemittel für Kältemaschinen haben, da die meisten verfügbaren Lösungen bereits unter diesem Grenzwert liegen.

Als Reaktion auf die schrittweise Abschaffung von Kältemitteln mit hohem Treibhauspotenzial wie R-410A und R-134a beginnen OEMs damit, eine Vielzahl von Optionen mit niedrigem Treibhauspotenzial für ihre Kältemaschinen anzubieten. Daikin Applied plant beispielsweise den Einsatz von R-32 (675 GWP/AR4), R-513A (630 GWP/AR4), R-1234ze(E) (1 GWP/AR4) und R-515B (292 GWP/AR4). ) und R-1233zd(E) (1 GWP/AR4). „Das ist eine ziemlich große Auswahl an Kältemitteln“, sagte Bill Dietrich, Direktor für Kältemaschinenanwendungen bei Daikin Applied, aber das Unternehmen möchte sicherstellen, dass Kunden je nach Anwendung die richtige Option haben.

„Das A2L-Kältemittel R-32 ist eine ideale Alternative zu R-410A, und wir werden 2023 luftgekühlte R-32-Scrollkühler auf den Markt bringen“, sagte Dietrich. „Es gibt mehrere Ersatzstoffe für R-134a, darunter das A1-Kältemittel R-513A, das eine etwas weniger effiziente Option ist, aber den von der EPA vorgeschlagenen Grenzwert von 700 GWP einhält.“ Da es problemlos innerhalb bestehender Bauvorschriften und Installationen eingesetzt werden kann, sehen viele darin eine gute Übergangsalternative.“

Längerfristig plant Daikin Applied den Einsatz des A2L-Kältemittels R-1234ze(E), das in Zentrifugal- oder Schraubenkühlern eingesetzt werden kann und eine hervorragende Effizienz bietet, sagte Dietrich. Obwohl es ein extrem niedriges GWP von nahezu 1 habe, seien technische Arbeiten erforderlich, um die vorhandene Kapazität zu erreichen und Sicherheitsstandards zu erfüllen, sagte er. Das Unternehmen geht davon aus, innerhalb eines Jahres R-1234ze(E)-Produkte auf den Markt zu bringen.

R-515B ist ein A1-Kältemittel, das eine ähnliche Kapazität und Effizienz wie R-1234ze(E) aufweist, während R-1233zd(E) als Niederdruckkältemittel gilt und nur für Radialkompressoren verwendet wird, sagte Dietrich.

„Wir glauben, dass dies das beliebteste Niederdruck-Kältemittel sein wird, da es sich um ein A1-Kältemittel handelt, das ein extrem niedriges GWP und eine geringere Toxizität bietet. Diese Alternative ist effizienter als R-134a und wir gehen davon aus, dass wir im Herbst R-1233zd(E)-Produkte auf den Markt bringen werden.“

„Johnson Controls ist seit langem ein Verfechter des Übergangs zu Kältemitteln mit niedrigerem Treibhauspotenzial“, sagte Brian Smith, Leiter des globalen Projektmanagements bei Johnson Controls, und das Unternehmen hat Jahre damit verbracht, diese Kältemittel zu testen, zu bewerten und zu implementieren, um sowohl a geringer CO2-Fußabdruck und leistungsstarke Ergebnisse bei Nieder-, Mittel- und Hochdruck-Kühlsystemen.

„Insbesondere die Kältemittel R-1234ze(E), R-1233zd(E), R-454B (465 GWP/AR4), R-515B und R-513A gehören zu den niedrigsten GWP auf dem Markt und werden dort verwendet eine Reihe von Johnson Controls-Kältemaschinenlösungen, die in den USA erhältlich sind“, sagte Smith. „Tatsächlich war unser York YVFA-Schraubenkühler mit freier Kühlung und variabler Drehzahl der erste seiner Art in den USA, der R-1234ze(E) verwendete, und der York YLAA war der erste luftgekühlte Scroll-Kühler, der A2L verwendete Kältemittel R-454B.“

DAS ERSTE SEINER ART:Der YORK YVFA Free-Cooling-Schraubenkühler mit variabler Drehzahl war der erste seiner Art, der R-1234ze(E) in den USA verwendete (Mit freundlicher Genehmigung von Johnson Controls).

Trane bietet außerdem eine breite Palette von Kältemaschinen an, die eine Vielzahl von Kältemitteln mit einem GWP von weniger als 700 verwenden, darunter Niederdruck-R-514A (2 GWP/AR5) und R-1233zd(E) für große wassergekühlte Zentrifugalkältemaschinen Chris Hsieh, Anwendungsingenieur bei Trane.

„Diese bieten die höchste Effizienz bei Kühl-, Heiz- und Wärmerückgewinnungsoptionen auf dem Markt“, sagte er. „Jedes Kältemittel ist nicht brennbar und bietet eine hohe Effizienz über einen Bereich von 120 bis 4.000 Tonnen.“

Trane plant, mehrere Optionen für den Ersatz von R-134a in seinen Kältemaschinen bereitzustellen und dabei entscheidende Faktoren wie Sicherheitsstandards (Entflammbarkeit), Effizienz und Umweltauswirkungen zu berücksichtigen, sagte Hsieh. Unter den verfügbaren Optionen für luftgekühlte und wassergekühlte Kaltwassersätze werden den Kunden sowohl R-513A als auch R-515B angeboten. Diese Alternativen bieten eine Auswahl an Kältemitteln mit niedrigem Treibhauspotenzial und bieten gleichzeitig die optimale Balance zwischen Sicherheitsstandards und Kosteneffizienz, sagte er.

R-454B wird R-410A in den meisten luftgekühlten Kältemaschinen von Trane ersetzen, wo es das beste Gleichgewicht zwischen Sicherheitsstandards, Effizienz und Auswirkungen auf die Umwelt bietet, sagte Hsieh.

„R-454B hat das niedrigste GWP aller R-410A-Ersatzprodukte und bietet eine verbesserte Effizienz, ein größeres Betriebskennfeld, eine geringere Kältemittelfüllung und eine geringere Systemkomplexität“, sagte er.

In Nordamerika wird Carrier R-513A, R-515B und R-1234ze(E) in Mitteldruck-Zentrifugal- und Schraubenkühlern anbieten; R-1233zd(E) in Niederdruck-Radialkühlern; und R-32 in Scrollkühlern, sagte Tom Franaszek, Leiter Produktmanagement für wassergekühlte Kühler bei Carrier.

„Der Kühlerersatz für R-410A ist R-32“, sagte Franaszek. „R-32 ist ein Kältemittel mit etwas höherem Druck und höherer Kapazität und erfordert Modifikationen am Kompressor. Der Wirkungsgrad bei Volllast-AHRI-Nennbedingungen ist etwas besser und bei Teillast ist er ungefähr gleich. Tatsächlich wurden die ersten luftgekühlten Kältemaschinen von Carrier mit R-32 – die 30RC – bereits zum Verkauf freigegeben.“

Carrier wird R-513A, R-515B und R-1234ze(E) als Ersatz für R-134a in seinen Kältemaschinen verwenden. „R-513A ist ein direkter Ersatz für R-134a und bietet nahezu die gleiche Kapazität mit einer Reduzierung der Voll- und Teillastwerte (IPLV) um etwa 2 bis 3 %, obwohl die Leistung je nach Modell variieren kann“, sagte Franaszek . „R-515B ist kein direkter Ersatz für R-134a und erfordert eine Erhöhung des Hubraums um 37 %, mit einem Verlust von 1 % bis 2 % bei der Voll- und Teillasteffizienz. R-1234ze(E) wird aufgrund seines extrem niedrigen GWP (nahe 1) in Zukunft verwendet, obwohl aufgrund seiner A2L-Einstufung technische Arbeiten erforderlich sind. Die Leistung sollte der von R-515B ähneln.“

Franaszek fügte hinzu, dass R-1233zd(E) für Niederdruck-Radialkühler eine gute Option sei, da es als A1-Kältemittel eingestuft sei und die Voll- und Teillastleistung leicht erhöhe; Es ist jedoch eine Neukonstruktion erforderlich, da der Hubraum viel größer ist.

Angesichts der zunehmenden Konzentration auf Kältemittel mit niedrigem Treibhauspotenzial fragen sich einige, ob natürliche (nicht fluorierte) Kältemittel wie Ammoniak, CO2 oder Kohlenwasserstoffe (z. B. R-290) bald in Kältemaschinen verfügbar sein könnten. Doch auch wenn diese Kältemittel ein niedriges GWP haben, typischerweise im Bereich von 0 bis 3, bringen sie ihre eigenen Herausforderungen in Bezug auf Sicherheit, Leistung und Kosten mit sich, sagte Franaszek.

„Ammoniak hat ein GWP von 0 und trägt die Sicherheitsbewertung B2L, was höhere Toxizität/geringere Entflammbarkeit bedeutet“, sagte er. „Sicherheitsstandards erlauben nicht die Verwendung der Sicherheitsklassifizierungen 2 und 3 sowie der B-Toxizität in Direktsystemen über einer sehr begrenzten Kältemittelfüllung. Beispielsweise liegt die Füllgrenze bei 114 g für direkte Systeme mit Propan, einem Kältemittel der Klasse A3 (geringere Toxizität/leicht entflammbar). Die Klassifizierungen 2, 3 und B können in indirekten Systemen wie Kältemaschinen verwendet werden, wenn sie sich in einem Maschinenraum oder außerhalb eines Gebäudes befinden. Dennoch sind erhebliche Sicherheitsvorkehrungen erforderlich, insbesondere wenn sich das Kältemittel in der Nähe oder in der Nähe eines bewohnten Raums befinden könnte. Andere natürliche Kältemittel haben eine Brennbarkeitsklasse 3, was bedeutet, dass sie leicht entflammbar sind.“

Ammoniakkühler sind kein Produkt, das Daikin Applied derzeit in Nordamerika anbietet, und es ist zweifelhaft, dass sie sich in diesem Teil der Welt ohne wesentliche gesetzgeberische oder behördliche Maßnahmen durchsetzen werden, sagte Dietrich.

„In Europa verfügt Daikin über Ammoniakkühler mit Schraubenkompressoren, die jedoch hauptsächlich für industrielle Prozesskühlungsanwendungen eingesetzt werden“, sagte er. „Während Ammoniak-Kältemaschinen Effizienzsteigerungen bieten, weist das Kältemittel eine höhere Toxizität sowie unterschiedliche Konstruktionsmaterialien auf, sodass die Anschaffungskosten höher sein können. Infolgedessen sehen wir Ammoniakkühler nur in Nischenanwendungen und rechnen nicht mit einer breiten Akzeptanz.“

CO2 habe ein besseres Sicherheitsprofil als Ammoniak, sagte Hsieh, aber es habe aufgrund seiner niedrigen kritischen Temperatur weniger thermophysikalische Eigenschaften. Obwohl CO2 sowohl bei der Warmwasserbereitung als auch bei Kühlanwendungen mit niedrigeren Temperaturanforderungen verwendet wird, wies Hsieh darauf hin, dass Grundprinzipien der Thermodynamik des Rankine-Zyklus darauf hindeuten, dass die optimale Effizienz für Kühlung, Komfortkühlung und Heizung von der kritischen Temperatur abhängt, die fehlt CO2.

„Um die gleiche Effizienz wie heutige Flüssigkeiten mit viel höheren kritischen Temperaturen zu erreichen, müssen kompliziertere Kreislaufkonstruktionen und Komponenten verwendet werden, um Kreislaufverluste auszugleichen“, sagte Hsieh. „Wenn diese Zyklusverbesserungen zu einem Zyklus mit Flüssigkeiten mit höherer kritischer Temperatur hinzugefügt werden, kann die Effizienz stärker gesteigert werden als bei CO2. Trane bewertet weiterhin die CO2-Kompromisse zwischen Gesundheit, Sicherheit, Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit und wird Produkte einführen, die den Bedürfnissen der Kunden gerecht werden.“

Eine der natürlichsten Alternativen zu Kältemitteln könnte Wasser sein, sagte Smith, die Flüssigkeit, die in Yorks Absorptionskältemaschinen verwendet wird. Tatsächlich erübrigt dieses Design den Bedarf an Kältemitteln vollständig, sagte er.

„Absorptionskühleranwendungen wurden in der Vergangenheit von der Verfügbarkeit von Wärmequellen bestimmt“, sagte Smith. „Innovationen im Gerätedesign können jedoch jetzt ein breiteres Spektrum an Abwärmerückgewinnungsquellen, niedrigere Druckbereiche und breitere Temperaturkapazitäten berücksichtigen, was sie zu einer praktikablen Option für mehr Anwendungen macht.“

Auftragnehmer haben möglicherweise Fragen zu den neuen Kältemitteln mit niedrigerem GWP, etwa zur Machbarkeit ihrer Nachrüstung in bestehende Kältemaschinen sowie zu den notwendigen Richtlinien für den sicheren Umgang mit A2L-Alternativen. Wenn es um Nachrüstungen geht, unterstützen die Hersteller im Allgemeinen nicht die Praxis, neue Alternativen in bestehende Kältemaschinen einzubauen.

„Da häufig umfangreiche Neukonstruktionen der Ausrüstung erforderlich sind, um die System- und Flüssigkeitskompatibilität sicherzustellen, ist die Nachrüstung eines anderen Kältemittels in ein bestehendes Kühlsystem oft nicht möglich oder zu kostspielig und in einigen Fällen aufgrund der Sicherheitsstandards der Ausrüstung nicht zulässig.“ sagte Smith. „Und da eine Nachrüstung häufig den Austausch vieler Komponenten erfordert, kann es, wenn dies machbar ist, kostengünstiger sein, einen kompletten Geräteaustausch durchzuführen.“

GROSSE AUSWAHL: Ein Servicetechniker prüft den Kältemitteldruck in einer Kältemaschine. Daikin Applied plant, in seinen Kältemaschinen eine breite Palette an Kältemitteln mit niedrigem GWP anzubieten. (Mit freundlicher Genehmigung von Daikin Applied)

Während die Umrüstung auf ein Kältemittel mit niedrigerem Treibhauspotenzial von Fall zu Fall entschieden werden muss, ist es manchmal einfach ein klares „Nein“, sagte Dietrich.

„Sicherheitsstandards erlauben beispielsweise keine Umrüstung von einem Kältemittel der Gruppe A1 auf ein Kältemittel der Klasse A2L“, sagte er. „Und obwohl es möglich ist, von einem A1-Studium auf ein anderes A1-Studium zu wechseln, ist das kein einfacher Prozess. Tatsächlich ist es manchmal effektiver, eine vorhandene Maschine ordnungsgemäß zu warten und das Kältemittel nur dann auszutauschen, wenn eine neue Kältemaschine benötigt wird. Dennoch plant unser Team bei Daikin die Entwicklung von Nachrüstsätzen für Kältemaschinen zur Umstellung von R-134a auf R-513A. Am besten wenden Sie sich jedoch an den Hersteller der Kältemaschine, um zu sehen, was möglich ist.“

In Bezug auf den sicheren Umgang mit bestimmten neuen Alternativen wie den A2L-Kältemitteln R-454B, R-32, R-1234ze(E) und R-1234yf stellte Hsieh fest, dass gründliche Tests von ASHRAE und AHRI zu aktualisierten Protokollen für die Produktverwendung geführt haben. Anwendung, Handhabung und Service.

„Servicetechniker und Installateure müssen verstehen, dass 2L-Kältemittel brennbar sind. Daher müssen sie mehr Sorgfalt walten lassen und die aktualisierten Verfahren zur Lagerung, Handhabung und Wartung von Kältemitteln befolgen“, sagte Hsieh. „Es werden neue Servicewerkzeuge benötigt, die 2L-zertifiziert sind, und bei der Wartung von Geräten werden tragbare Lecksuchgeräte erforderlich sein. Außerdem sind die Abpumpvorgänge umfangreich und erfordern mehr Zeit, um sicherzustellen, dass das Kältemittel nicht in einem Kreislauf oder einer Komponente eingeschlossen wird. Letztlich ähneln diese Praktiken denen, die heute angewendet werden, erfordern jedoch mehr Zeit und Sorgfalt.“

Da die Service- und Installationspraktiken unterschiedlich sein werden, sollten Auftragnehmer ihre Techniker so schnell wie möglich im sicheren und effektiven Umgang mit Alternativen mit niedrigerem Treibhauspotenzial schulen lassen, sagte Dietrich. Darüber hinaus sollten sich Auftragnehmer schnell mit ihren bevorzugten Vertriebsmitarbeitern und Herstellern über Auswahl, Leistung, Lieferzeiten usw. in Verbindung setzen.

„Die meisten Hersteller bringen ihre Kältemaschinen mit niedrigerem Treibhauspotenzial gerade erst auf den Markt“, sagte er. „Ab dem 1. Januar 2024 ist die Verwendung einiger Kältemittel, darunter R-134a und R-410A, in 12 Bundesstaaten in neuen Kältemaschinen verboten. Die übrigen Bundesstaaten werden voraussichtlich ab dem 1. Januar 2025 diesem Beispiel folgen, bis die EPA-Vorschriften im Oktober in Kraft treten. Der Wandel kommt also schnell.“

Joanna Turpin ist leitende Redakteurin. Sie kann unter 248-786-1707 oder [email protected] kontaktiert werden. Joanna ist seit 1991 bei BNP Media und leitete zunächst die technische Buchabteilung des Unternehmens. Sie erwarb ihren Bachelor-Abschluss in Englisch an der University of Washington und arbeitete an ihrem Master-Abschluss in technischer Kommunikation an der Eastern Michigan University.