Überblick
Die Auswahl eines alternativen Kältemittels erfordert eine Bewertung von Sicherheit, Kälteleistung, Energieeffizienz, Bauteilverträglichkeit und örtlichen Klimabedingungen. Ein niedriges Treibhauspotenzial (GWP) allein belegt keine Eignung. Die Vermeidung von Leckagen bleibt bei jedem Kältemittel wichtig.
Auswahl von Alternativen
- CO₂, R-744: Nicht brennbar und von geringerer Toxizität, birgt jedoch Gefahren durch Erstickung, hohen Druck und Kälteverbrennungen.
- Ammoniak, R-717: Bietet eine gute Effizienz, doch Toxizität, Brennbarkeit und hohe Verdichtungsendtemperaturen beeinflussen die Anlagenauslegung.
- Klima: R-744 hat eine kritische Temperatur von etwa 31 °C. Luftgekühlte Anlagen gehen bei Umgebungstemperaturen über etwa 21–25 °C typischerweise in den transkritischen Betrieb über. In heißeren Regionen sind daher Auslegungen erforderlich, die die längere Betriebsdauer im potenziell weniger effizienten transkritischen Betrieb ausgleichen.
- Sekundärkreisläufe: Gepumptes R-744 verdampft teilweise und nimmt dabei latente Wärme auf. Es kann weniger Pumpenleistung als Glykol erfordern, benötigt aber weiterhin einen Kühler. Sein größter Nachteil ist der Druck: etwa 30 bar Überdruck bei −3 °C.
Kältemittel im Kreislauf
Die Kälteleistung bestimmt die bereitgestellte Kühlleistung. Die Effizienz setzt die Nutzleistung ins Verhältnis zur zugeführten Energie. Die hohe volumetrische Kälteleistung von R-744 ermöglicht ein kleineres Hubvolumen des Verdichters; sie bedeutet keine proportional höhere Effizienz.
Für eine theoretische Kälteleistung von 10 kW bei −10 °C Verdampfungstemperatur und 35 °C Verflüssigungstemperatur, wobei R-744 stattdessen bei einer Gaskühleraustrittstemperatur von 35 °C bewertet wird:
- Verdichtungsendtemperatur: R-717 erreicht etwa 152 °C, verglichen mit 114 °C bei R-744, 99,5 °C bei R-32 und 57 °C bei R-404A. Hohe Verdichtungsendtemperaturen erklären unter anderem den Einsatz zweistufiger Verdichtung in transkritischen CO₂-Anlagen für tiefe Temperaturen.
- Hubvolumen: R-1234ze benötigt etwa 35,1 m³/h gegenüber 14,8 m³/h bei R-404A: also etwa das 2,4-Fache. R-744 benötigt typischerweise ungefähr ein Fünftel des Hubvolumens von R-404A.
- COP-Vergleich: Die einfache Berechnung ergibt etwa 1,75 für R-744 gegenüber 2,94 für R-404A. R-744 liegt hier oberhalb seiner kritischen Temperatur. In realen Anlagen wird der Druck auf der Hochdruckseite optimiert, um die Leistung zu verbessern.
Im transkritischen Betrieb gibt der Gaskühler Wärme ohne Verflüssigung ab. Werden Wärmeübertrager von vergleichbarer Größe wie in einer HFKW-Anlage beibehalten, können die Temperaturdifferenzen verringert und die Kälteleistung und Effizienz von R-744 verbessert werden.
Bauteile und Drücke
PS bezeichnet den höchstzulässigen Druck. Wählen Sie Rohrleitungen und Bauteile entsprechend dem PS des jeweiligen Anlagenabschnitts aus und berücksichtigen Sie dabei auch Stillstandsbedingungen.
- Verbindungen: Bevorzugen Sie hartgelötete oder geschweißte Verbindungen; vermeiden Sie nach Möglichkeit mechanische Verbindungen. Rohrleitungen mit größerer Wanddicke oder aus Stahl können erforderlich sein.
- Druckabsicherung: Die Auslegungshinweise sehen vor, den Sicherheitsdruckbegrenzer auf höchstens 90 % des PS einzustellen, damit die Anlage vor dem Ansprechen des Sicherheitsventils abschaltet.
- Sicherheitsventile: Wiederholtes Abblasen kann die Federn schwächen und den Öffnungsdruck senken. Schließt das Ventil anschließend nicht wieder dicht, kann es zu anhaltenden Leckagen kommen.
- Kaskadenwärmeübertrager: Große Temperaturdifferenzen können einen Temperaturschock und Leckagen verursachen. Eine vorgeschaltete Enthitzung des Druckgases verringert dieses Risiko.
Retrofit
Lassen Sie sich die Eignung vom Anlagenhersteller bestätigen.
- Leistung: Eine geringfügige Verringerung der Kälteleistung kann bei einer überdimensionierten Anlage akzeptabel sein; eine verringerte Energieeffizienz sollte nicht akzeptiert werden.
- Verträglichkeit: Prüfen Sie Schmierstoff, Bauteile, Verdichtungsendtemperatur und elektrische Bemessungswerte.
- Temperaturgleit: Gemische mit hohem Temperaturgleit erfordern eine Prüfung und Anpassung des Expansionsventils; überflutete Verdampfer können ungeeignet sein.
- Höhere Drücke: Bewerten Sie die Sicherheitsabstände zum PS, die Einstellungen und Abblaseleistung der Sicherheitsventile, die Hochdrucküberwachung sowie die Konformität mit der Druckgeräterichtlinie erneut.
- A2L-Kältemittel: Bestehende Anlagen können für brennbare Kältemittel ungeeignet sein. Bewerten Sie Zündquellen, Füllmengengrenzen und die Eignung der Anlage erneut.
Leckagearme Auslegung
Minimieren Sie Verbindungen, Bauteile, Rohrleitungslängen und Serviceanschlüsse. Ordnen Sie Bauteile nahe beieinander an und begrenzen Sie Betriebs- und Stillstandsdrücke.
Wo ein Serviceanschluss unerlässlich ist, empfehlen die Hinweise einen Kugelhahn mit Bördelanschluss, der bei Nichtgebrauch mit einer Kappe verschlossen wird, anstelle eines Schraderventils.
Die Sicherheitsüberwachung reagiert auf gefährliche Konzentrationen. EN 378-3 fordert Detektoren, die mindestens einen Alarm auslösen, wenn die Konzentration den praktischen Grenzwert überschreiten kann. Fest installierte Alarmanlagen für brennbare Kältemittel sollten spätestens bei 25 % der unteren Explosionsgrenze (LFL) ansprechen; bei Ammoniak muss zusätzlich die Toxizität berücksichtigt werden. Prüfen Sie die Funktion der Detektoren regelmäßig.
Leckagen und Effizienz
Leckagen verringern die Kälteleistung und Zuverlässigkeit und können den Stromverbrauch je Einheit bereitgestellter Kälte erhöhen. Auch Kältemittel mit niedrigem GWP haben daher durch die Stromerzeugung indirekte Auswirkungen auf das Klima.
COP im Kühlbetrieb = Kälteleistung ÷ Leistungsaufnahme. Eine vollständig befüllte Anlage, die bei einer Leistungsaufnahme von 8,2 kW eine Kälteleistung von 12,9 kW liefert, hat einen COP von ≈ 1,57. Nach einer Leckage ergeben 9,9 kW bei 8,0 kW Leistungsaufnahme einen COP von ≈ 1,24.
Prüfungstipp: Eine etwas geringere elektrische Leistungsaufnahme belegt keine verbesserte Effizienz. Vergleichen Sie die Nutzleistung mit der Leistungsaufnahme.
Das EER setzt ebenfalls die Kälteleistung ins Verhältnis zur gesamten elektrischen Leistungsaufnahme unter festgelegten Prüfbedingungen.
