Углеводородные хладагенты – природная альтернатива ГФУ

Углеводородные хладагенты давно зарекомендовали себя как безопасное, экологичное надёжное и энергоэффективное решение для бытового холодильного оборудования: подавляющее большинство кухонных холодильников в мире заправлено углеводородом изобутаном. Рост цен на ГФУ, ограничение (а в перспективе – последовательное сокращение) их количества, доступного на рынке, связанное с исполнением Россией обязательств в рамках Кигалийской поправки к Монреальскому протоколу, способствуют всё более глубокому проникновению УВ-хладагентов в сегмент коммерческого холода. В то же время, способность УВ-хладагентов к воспламенению ограничивает область их применения оборудованием небольшой холодильной мощности, требует обучения персонала работе с ними, а также принятия дополнительных мер пожарной безопасности.

Особенности и преимущества УВ-хладагентов

• низкая температура кипения и замерзания при атмосферном давлении
• высокая критическая температура
• высокие значения теплоты парообразования и удельной теплоемкости
• невысокое давление конденсации при обычных температурах сред (воды, воздуха), охлаждающих конденсатор
• малая разность давлений конденсации и испарения
• малый удельный объем паров хладагента
• безопасность для озонового слоя и климата Земли: ОРС (озоноразрушающая способность)=0, ПГП (потенциал глобального потепления) < 0 (в 6-м оценочном докладе МГЭИК ПГП пропана оценен в 0,02)
• холодильные системы на УВ-хладагентах, как правило, энергоэффективнее аналогичного оборудования на ОРВ и ГФУ
• сходство теплофизических характеристик позволяет в некоторых случаях использовать УВ-хладагент R290 (пропан) для ретрофита оборудования, работающего на R22 и R404A, c незначительными изменениями конструкции и при надлежащем обеспечении пожарной безопасности
• УВ-хладагенты относятся к группе опасности А3 (нетоксичные, горючие); действующие стандарты позволяют без каких-либо дополнительных ограничений устанавливать в помещениях, не являющихся машинными отделениями, холодильные установки, содержащие не более 150 граммов хладагентов групп А2 и А3
• УВ-хладагенты способны воспламеняться только при определенной концентрации в воздухе. При утечке 150 граммов УВ-хладагента даже в небольшом помещении пожароопасная концентрация, скорее всего, не образуется.
• Объемы производства и потребления УВ-хладагентов не ограничены требованиями международных экологических соглашений
• Углеводороды, пригодные для использования в качестве хладагентов, выпускаются в России (ООО "НПП Синтез")

Область применения

Возможности применения УВ-хладагентов, во многом сходных по теплофизическим характеристикам с традиционными синтетическими хладагентами (ГХФУ, ГФУ), ограничиваются максимально допустимым объемом заправки.

Согласно действующим нормам, в контуре холодильной системы, устанавливаемой в любых помещениях без каких-либо дополнительных ограничений, может содержаться не более 150 граммов горючего хладагента. Обновленные стандарты МЭК для торгового холодильного оборудования (IEC 60335-2-89:2019) и тепловых насосов, воздушных кондиционеров и осушителей (IEC 60335-2-40:2022) предусматривают увеличение максимально допустимого объема заправки горючими хладагентами, однако для применения новых норм на практике необходимо принятие соответствующих национальных стандартов.

Малое количество хладагента в контуре ограничивает холодопроизводительность систем, использующих углеводороды. В настоящее время УВ-хладагенты применяются:

• в мобильных кондиционерах и небольших сплит-системах (там, где это допускается требованиями безопасности);
• в бытовых холодильниках и морозильниках;
• в торговом оборудовании небольшой мощности: холодильных и морозильных шкафах, ларях, витринах
• в машинах для производства кускового льда (для заведений общепита)
• в осушителях воздуха и сушильных машинах

Повысить холодопроизводительность, не выходя за пределы максимально допустимого объема заправки одного контура, можно за счет использования двухконтурной схемы охлаждения, однако на практике такие системы применяются редко.

Оригинальным решением для организации холодоснабжения, например, небольшого отеля, магазина или склада является система с малой заправкой хладагентом, в которой индивидуальные холодильные агрегаты объединены контуром вторичного холодоносителя (воды). Вторичный холодоноситель охлаждается специализированной холодильной установкой и отводит тепло от конденсаторов индивидуальных холодильных агрегатов, обеспечивающих работу холодильных шкафов, витрин и т.п. Холодильные контуры индивидуальных холодильных агрегатов независимы, и в качестве хладагента могут заправляться, в том числе, углеводородами.

Распространение технологии

До начала 1940-х годов углеводороды были одними из самых распространенных хладагентов для бытовых холодильных приборов. Из 60 марок холодильников, производившихся в США в середине 1930-х годов, 11 использовали УВ-хладагент изобутан. Объем заправки одного холодильника составлял примерно 1,5 кг (для сравнения, в современных бытовых холодильниках количество заправленного УВ-хладагента редко превышает 70 граммов).

В 1990-х годах в Европе УВ-хладагенты пережили "второе рождение" с разработкой технологии Greenfreeze. В настоящее время бытовые холодильники на изобутане (R-600a) по технологии GreenFreeze выпускают большинство ведущих производителей в Европе, Японии и Китае. Россия и страны СНГ приступили к массовому производству холодильников на R-600a в начале 2000-х годов, опередив при этом США, где первые холодильники по технологии GreenFreeze были изготовлены и выпущены на рынок лишь в 2012 году. По экспертной оценке, в 2016 году в мире насчитывалось уже более 650 миллионов таких холодильников. На сегодняшний день 75-80% из всех выпускающихся в мире бытовых холодильников – это холодильники на R-600a.

Из-за сходства теплофизических характеристик пропан (R-290) может использоваться для ретрофита бытовых сплит-систем, работающих га ГХФУ-хладагенте R-22. В конструкцию кондиционера при этом могут быть внесены небольшие изменения, направленные на предотвращение возможности возгорания хладагента в случае утечки.

Кроме того, R-290 используется и как хладагент для новых кондиционеров. В 2013-2015 годах в Китае при поддержке международных организаций и за счет средств Многостороннего фонда для осуществления Монреальского протокола были модернизированы 18 линий для производства бытовых кондиционеров воздуха на R-290 и 3 линии по выпуску компрессоров для них. По данным Китайской ассоциации бытовой электротехники (CHEAA), на конец ноября 2021 года в Китае было продано более 270 000 сплит-систем на R-290. В сплит-систему холодопроизводительностью 1,1 кВт заправляется около 300 граммов пропана (380 г для 2,6 кВт), что соответствует нормам китайского стандарта безопасности GB4706.32.

Помимо Китая, бытовые кондиционеры на пропане выпускает и Индия. Производственные мощности индийского производителя Godrej Group составляют 400 000 сплит-систем на R-290 в год. С 2023 года компания планирует использовать в своих изделиях компрессоры для R-290 собственной разработки.

В последние годы УВ-хладагенты получили широкое распространение в торговом холодильном оборудовании небольшой мощности. Известные производители напитков и мороженого массово устанавливают использующие УВ-хладагенты брендированные холодильники в торговых точках по всему миру. О переходе на R-290 и R-600a объявляют крупные розничные сети. Помимо заботы об экологии у такого решения есть и экономическая подоплека. Утверждается, что перевод автономных холодильных шкафов и витрин с ГФУ на УВ-хладагенты позволяет сократить эксплуатационные расходы на величину до 30% и даже более.

Тенденцию поддерживают и отечественные производители. Так, например, российская компания «ПОЛАИР» объявила о переводе производства коммерческого холодильного оборудования, объем заправки которого не превышает разрешённые безопасные нормы, на пропан.

Востребованности такой продукции способствует ограничение объема доступных на рынке ГФУ-хладагентов, сопровождающееся стремительным ростом цен на них.

Ситуация в России

В отличие от ГФУ УВ-хладагенты R-290, R-600a и R-1270 (пропан, изобутан и пропилен высокой чистоты) производятся в России.

В России также собирается холодильное оборудование бытового и коммерческого назначения на УВ-хладагентах. При этом в нашей стране производятся не все компоненты такого оборудования. Прежде всего, отсутствует собственное производство компрессоров. В такой ситуации любые нарушения в цепочках международных поставок могут приводить к проблемам с реализацией проектов.

Одним из факторов, препятствующих распространению холодильных технологий с использованием углеводородов, является невысокая холодопроизводительность оборудования, связанная с ограничениями максимального количества заправляемого хладагента.

Горючесть углеводородов также может быть фактором, удерживающим конечных пользователей холодильного оборудования от выбора УВ-хладагентов в качестве альтернативы ОРВ и ГФУ. Однако, как уже было сказано выше, воспламенение углеводородов возможно лишь при определенных концентрациях в воздухе: от 2,1% до 9,5% (от 38 до 172 г/м³) для пропана, от 1,8% до 8,5% (от 38 до 179 г/м³) для изобутана, от 2% до 11,4% (от 48 до 274 г/м³). Если в результате утечки из контура, заправленного пропаном, все 150 граммов хладагента окажутся в воздухе помещения объемом 20 м3, концентрация пропана составит всего 3,5 грамма на 1 м³, что более чем в 10 раз меньше значения, необходимого для воспламенения. На самом деле концентрация будет еще меньше, так как часть хладагента, растворенная в масле, останется в системе.

Тем не менее, заправку и ремонт холодильников, работающих на УВ-хладагентах, могут выполнять только специалисты, прошедшие соответствующую подготовку.

Дефицит специалистов, имеющих необходимые навыки для работы с горючими хладагентами, также является препятствием для их более широкого распространения.

Пути решения проблем

В ситуации, когда доступный на рынке объем ГФУ ограничен и будет сокращаться, что неизбежно повлечет за собой дальнейший рост цен, логичным решением представляется перевод холодильного оборудования на природные хладагенты, в том числе – углеводородные, там, где это возможно.

Способствовать такому переводу могли бы следующие меры:

• Анализ использования ОРВ и ГФУ в различных секторах холодильной отрасли Российской Федерации и разработка стратегии перехода холодильной техники на доступные альтернативные хладагенты в тех секторах, где это технически возможно и экономически обосновано. Подобная стратегия реализуется в Европе в соответствии со статьей 11 Регламента ЕС №517/2014;
• Организация альтернативных цепочек поставок недостающих компонентов оборудования на УВ-хладагентах (прежде всего – компрессоров), а в перспективе – организация собственного производства, возможно, с опорой на опыт Индии и Китая;
• Приведение национальных стандартов безопасности в соответствие с последними редакциями соответствующих международных стандартов МЭК;
• Организация программ переподготовки для специалистов холодильной отрасли и учащихся профильных вузов с учетом специфики работы с природными хладагентами, в том числе—углеводородами.