Сравнительный анализ эффективности и экологической безопасности тепловых насосов, работающих на различных холодильных агентах

Введение

Глобальный энергетический кризис и климатические изменения диктуют необходимость повышения энергоэффективности и сокращения выбросов парниковых газов во всех секторах экономики. Одной из ключевых технологий, способствующей решению этих задач, является тепловой насос (ТН), позволяющий утилизировать низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды (воздуха, грунта, воды) для нужд отопления и горячего водоснабжения [1]. Эффективность и экологичность ТН в значительной степени определяются свойствами применяемого холодильного агента.

Исторически сложилось, что наиболее распространенными хладагентами были хлорфторуглероды (CFC) и гидрохлорфторуглероды (HCFC), например, R12 и R22. Однако их высокая озоноразрушающая активность привела к принятию Монреальского протокола и их последующему поэтапному отказу [2]. Им на смену пришли гидрофторуглероды (HFC), такие как R134a, R404a и R407c, которые имеют нулевой озоноразрушающий потенциал (ОДП), но обладают высоким потенциалом глобального потепления (ПГП), что регламентируется Киотским протоколом и поправкой Кигали к Монреальскому протоколу [3, 4].

В связи с этим, современная холодильная и тепловая отрасли переживают очередной переходный период, характеризующийся активным поиском и внедрением альтернативных хладагентов с низким ПГП. В фокусе внимания находятся как новые синтетические соединения (гидрофторолефины – HFO), так и так называемые «природные» или «естественные» хладагенты: аммиак (R717), диоксид углерода (R744), углеводороды (пропан R290, изобутан R600a) и вода [5, 6].

Целью настоящего исследования является проведение сравнительного анализа термодинамических, экологических и эксплуатационных характеристик тепловых насосов, работающих на различных хладагентах, включая как традиционные HFC (R134a, R404a, R245fa), так и природные хладагенты (CO₂, аммиак).

Объекты и методы исследования.

В качестве объектов исследования были выбраны шесть хладагентов: R22 (как эталонный, выводимый из обращения), R134a, R404a, R245fa, R717 (аммиак) и R744 (диоксид углерода). Их основные свойства представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Основные свойства исследуемых хладагентов [7, 8, 9]

*Примечание: * – температура сублимации.

Для проведения сравнительного анализа был выбран базовый цикл парокомпрессионного теплового насоса, включающий следующие процессы: изоэнтропное сжатие (1-2s), изобарно-изотермическая конденсация (2-3), изэнтальпийное дросселирование (3-4) и изобарно-изотермическое испарение (4-1). Моделирование проводилось для двух режимов работы:

• Режим 1 (стандартный):Температура испарения t₀ = 0 °C, температура конденсации tₖ = 50 °C.
• Режим 2 (нагрев ГВС):Температура испарения t₀ = 0 °C, температура конденсации tₖ = 80 °C.

Перегрев на входе в компрессор принят равным 10 К, переохлаждение на выходе из конденсатора – 5 К. Изоэнтропный КПД компрессора принят постоянным и равным 0.7 для всех агентов для обеспечения сравнимости результатов, хотя на практике он может варьироваться [10].

Расчет термодинамических свойств хладагентов в узловых точках цикла проводился с использованием высокоточной библиотеки CoolProp в среде Python [11]. Для каждого хладагента и для каждого режима рассчитывались следующие ключевые параметры: Коэффициент производительности (COP): COP = qₖ / lₛ, где qₖ – удельная теплота конденсации, lₛ – удельная работа изоэнтропного сжатия. Удельная объемная производительность: Q = q₀ / v₁, где q₀ – удельная холодопроизводительность, v₁ – удельный объем пара на входе в компрессор. Степень повышения давления: π = Pₖ/P₀. Температура нагнетания компрессора.

Результаты расчетов для Режима 1 и Режима 2 сведены в Таблицы 2 и 3 соответственно.

*Таблица 2. Результаты термодинамического расчета для режима t₀ = 0 °C, tₖ = 50 °C*

*Таблица 3. Результаты термодинамического расчета для режима t₀ = 0 °C, tₖ = 80 °C*

Результаты и их обсуждение.

Термодинамический анализ.

Анализ данных Таблицы 2 (режим tₖ=50°C) показывает, что наивысшие значения COP демонстрируют хладагенты R245fa (5.33), R404a (5.20) и R134a (5.17). Аммиак (R717) и R22 показали схожие результаты (~4.5), в то время как CO₂ (R744) имеет значительно более низкий COP (3.28). Это объясняется особенностью цикла R744: при температуре конденсации +50°C, которая выше его критической температуры (+31°C), процесс «конденсации» происходит в сверхкритической области и называется процессом охлаждения газа. Этот процесс менее эффективен с точки зрения теплообмена, чем классическая изотермическая конденсация [12].

Однако ситуация кардинально меняется при анализе Режима 2 (tₖ=80°C), актуального для приготовления горячей воды. COP всех хладагентов снижается из-за увеличения степени сжатия и температуры нагнетания. При этом R744 демонстрирует наименьшее падение относительной эффективности. Хотя его абсолютное значение COP (1.67) остается самым низким, разрыв с другими агентами сокращается. В исследованиях [13, 14] показано, что для каскадных систем или систем с эжектором COP CO₂-систем может быть значительно повышен и стать конкурентоспособным в данном режиме.

Важным параметром для выбора компрессора является удельная объемная производительность (q₀/v₁). Как видно из таблиц, R744 имеет на порядок более высокое значение этого параметра (22670 кДж/м³), что означает, что для получения одинаковой холодопроизводительности компрессор для CO₂ будет иметь значительно меньшие размеры по сравнению с компрессорами для других агентов, особенно для R245fa. Низкая объемная производительность R245fa (402 кДж/м³) является его существенным недостатком, требующим применения крупногабаритных компрессоров.

Температура нагнетания (t₂s) у аммиака и CO₂ в обоих режимах является наиболее высокой, что предъявляет повышенные требования к термостойкости масла и материалов компрессора. Высокие степени повышения давления у R245fa и R134a в режиме высоких температур также являются негативным фактором.

Экологический и безопасностный анализ.

По экологическим показателям (Рисунок 1) бесспорными лидерами являются природные хладагенты R717 и R744 с нулевым ОДП и ничтожно малым (CO₂) или нулевым (NH₃) ПГП. Синтетические хладагенты, даже современные (R134a, R404a, R245fa), обладают высоким ПГП (от 1030 до 3922), что является их главным недостатком в свете глобальной климатической повестки.

С точки зрения безопасности (класс ASHRAE), R744 относится к безопасной группе A1 (нетоксичен, негорюч). R717 является токсичным (B2) и горючим при определенной концентрации, что требует особых мер при проектировании и эксплуатации установок [15]. Большинство HFC хладагентов относятся к группе A1, что является их преимуществом перед аммиаком.

Выводы

Проведенный термодинамический анализ показал, что в стандартном режиме (tₖ=50°C) синтетические хладагенты (R245fa, R404a, R134a) имеют преимущество по коэффициенту производительности COP (5.0-5.3) перед природными агентами. Аммиак (4.48) и, особенно, CO₂ (3.28) уступают им по этому показателю.

В режиме получения высокопотенциального тепла (tₖ=80°C) эффективность всех хладагентов падает. При этом COP систем на CO₂ снижается менее критично, а его ключевое преимущество – высокая объемная производительность – позволяет использовать малогабаритное компрессорное оборудование.

По совокупности экологических показателей (ОДП=0, ПГП≈0) природные хладагенты (аммиак и диоксид углерода) обладают неоспоримым преимуществом перед HFC-агентами, имеющими высокий ПГП, что обуславливает их постепенный вывод из обращения согласно международным соглашениям.

Основными ограничениями для широкого применения аммиака являются его токсичность и горючесть, а для CO₂ – работа в области высоких давлений и повышенные температуры нагнетания, требующие применения специальных материалов и конструктивных решений.

Перспективным направлением является разработка и внедрение гибридных и каскадных систем, где на высокотемпературной ступени эффективно используется CO₂, а на низкотемпературной – другие агенты, а также применение эжекторных технологий для повышения эффективности CO₂-циклов.

Таким образом, несмотря на текущие технологические challenges, переход на природные хладагенты, в особенности на диоксид углерода, является стратегически необходимым и перспективным направлением развития отрасли тепловых насосов.

Список использованой литературы

1. Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Working Group III Contribution to the Sixth Assessment Report. – 2022.
2. The Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer. – UNEP, 1987.
3. The Kyoto Protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change. – UN, 1998.
4. The Kigali Amendment to the Montreal Protocol. – UNEP, 2016.
5. Calm J.M. The next generation of refrigerants – Historical review, considerations, and outlook // International Journal of Refrigeration. – 2008. – Vol. 31, № 7. – P. 1123–1133.
6. Bolaji B.O., Huan Z. Ozone depletion and global warming: Case for the use of natural refrigerant – a review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2013. – Vol. 18. – P. 49–54.
7. ASHRAE Standard 34. Designation and Safety Classification of Refrigerants. – 2019.
8. McLinden M.O. et al. (REFPROP). NIST Standard Reference Database 23, Version 10.0. – 2018.
9. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report. – 2013. (For GWP values).
10. Cavallini A. et al. Two-stage transcritical carbon dioxide cycle optimisation: A theoretical and experimental analysis // International Journal of Refrigeration. – 2005. – Vol. 28, № 8. – P. 1274–1283.
11. Bell I.H. et al. CoolProp: An open-source reference-quality thermophysical property library // Journal of Physical and Chemical Reference Data. – 2014. – Vol. 43, № 4.
12. Lorentzen G. Revival of carbon dioxide as a refrigerant // International Journal of Refrigeration. – 1994. – Vol. 17, № 5. – P. 292–301.
13. Sarkar J., Bhattacharyya S., Gopal M.R. Optimization of a transcritical CO2 heat pump cycle for simultaneous cooling and heating applications // International Journal of Refrigeration. – 2004. – Vol. 27, № 8. – P. 830–838.
14. Elbel S., Hrnjak P. Experimental validation of a prototype ejector designed to reduce throttling losses encountered in transcritical R744 system operation // International Journal of Refrigeration. – 2008. – Vol. 31, № 3. – P. 411–422.
15. Pearson A. Ammonia as a refrigerant for the 21st century // Proceedings of the Institute of Refrigeration. – 2008–2009. – Vol. 105.
16. Domanski P.A., McLinden M.O. A comparative analysis of the refrigerant cycle performance of R22 alternatives // NIST. – 1992.
17. Kim M.H., Pettersen J., Bullard C.W. Fundamental process and system design issues in CO2 vapor compression systems // Progress in Energy and Combustion Science. – 2004. – Vol. 30, № 2. – P. 119–174.
18. Hafner A. et al. Heat pump systems using natural refrigerants – state of the art // Proceedings of the 11th IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants. – 2014.
19. Palm B. Hydrocarbons as refrigerants in small heat pump and refrigeration systems – a review // International Journal of Refrigeration. – 2008. – Vol. 31, № 4. – P. 552–563.
20. Wang R.Z. et al. Recent advances in vapor compression cycle technologies // International Journal of Refrigeration. – 2009. – Vol. 32, № 6. – P. 1182–1194.
21. Dopazo J.A. et al. Theoretical analysis of a CO2 transcritical cycle with an ejector // International Journal of Refrigeration. – 2009. – Vol. 32, № 6. – P. 1406–1413.
22. Llopis R. et al. Energy and environmental comparison of two-stage solutions for commercial refrigeration at low temperature: R744 and R717 // Applied Thermal Engineering. – 2016. – Vol. 110. – P. 1095–1106.
23. Dai B. et al. A review on transcritical CO2 heat pump and refrigeration systems // International Journal of Refrigeration. – 2023. – Vol. 149. – P. 207–225.
24. Mota-Babiloni A. et al. Recent investigations in HFCs substitution with lower GWP synthetic alternatives: Focus on energetic performance and environmental impact // International Journal of Refrigeration. – 2017. – Vol. 82. – P. 288–301.
25. Makhnatch P., Mota-Babiloni A., Khodabandeh R. R450A and R513A as lower GWP alternatives for R134a in a water-to-water heat pump // Applied Thermal Engineering. – 2019. – Vol. 152. – P. 762–769.
26. Fedele L. et al. R455A as lower GWP drop-in replacement of R404A: Experimental investigation in a water-to-water heat pump // International Journal of Refrigeration. – 2020. – Vol. 118. – P. 947–482.
27. Fernández-Seara J. et al. Heat pump and refrigeration systems with natural working fluids // Applied Thermal Engineering. – 2010. – Vol. 30, № 8-9. – P. 809–817.
28. Agrawal N., Bhattacharyya S. Studies on a heat pump operated with R744/R1270 mixture // Applied Thermal Engineering. – 2008. – Vol. 28, № 11-12. – P. 1386–1392.
29. Gullo P. et al. A critical analysis of the market and the application of natural refrigerants in Europe // International Journal of Refrigeration. – 2020. – Vol. 112. – P. 248–259.
30. Zhang Z. et al. A review of transcritical carbon dioxide heat pump and refrigeration cycles // Energy. – 2013. – Vol. 55. – P. 156–172.