Сравнение мобильных систем кондиционирования воздуха на CO2 и пропане

По словам профессора Штефана Эльбеля, заведующего кафедрой теплопередачи и преобразования тепла в Техническом университете Берлина (TU Berlin), такие природные хладагенты, как CO2 (R744) и пропан (R290), «критически важны» для будущего мобильных систем кондиционирования воздуха (MAC) и тепловых насосов.

Эльбель поделился своей точкой зрения во время доклада на саммите ATMOsphere (ATMO) MAC 2024 × TU Berlin.

Во время своей презентации Эльбель подчеркнул, что отрасль должна отойти от поиска «чудодейственной жидкости», которой не существует, и вместо этого сосредоточиться на решении проблем с уже существующими хладагентами.

Почему натуральные хладагенты?

Элбель заявил, что переход на CO2 и пропан обусловлен как экологической необходимостью, так и нормативными требованиями.

В то время как недавно пересмотренное европейское постановление о фторсодержащих газах в первую очередь направлено на стационарные системы охлаждения и обогрева, предлагаемое постановление, ограничивающее производство, использование или продажу PFAS (пер- и полифторалкильных веществ), будет способствовать внедрению натуральных хладагентов в автомобильной промышленности.

R1234yf, гидрофторуглерод и PFAS, обычно используемые в автомобильных системах кондиционирования воздуха, будут запрещены в соответствии с так называемым «Универсальным предложением по ограничению». Европейское химическое агентство (ECHA) в настоящее время рассматривает предложенное регулирование ПФАС.

В мае консалтинговая фирма Ducker Carlisle опубликовала аналитическую записку, в которой говорится, что производители электромобилей (EV) «с большой вероятностью» перейдут с R1234yf на CO2 или пропан в ближайшие пять лет «из-за ужесточения экологического законодательства во всех отраслях».

CO2 в системах MAC

Элбель рассказал о преимуществах и недостатках CO2 в качестве хладагента в системах MAC, особенно в электромобилях. Компания Volkswagen предлагает несколько своих электромобилей ID с тепловыми насосами R744 и планирует к 2030 году заменить системы MAC во всех своих электромобилях (BEV) на CO2.

Системы CO2 могут быть компактными и негорючими, что делает их подходящими для использования в автомобилях.

Кроме того, CO2 обеспечивает отличную производительность теплового насоса, особенно в холодном климате, благодаря высокой объёмной производительности.

Однако Элбель отметил, что CO2 работает при очень высоком давлении, что увеличивает сложность системы и стоимость материалов. CO2 также чувствителен к оптимизации капиллярных трубок и объема заправки, что требует тщательного проектирования системы. Достижение высокой эффективности в системах кондиционирования воздуха может быть сложной задачей, поскольку могут потребоваться дополнительные компоненты, такие как эжекторы, внутренние теплообменники и газоохладители.

Пропан в системах MAC

«Пропан более эффективен и использует традиционные компоненты, но его воспламеняемость накладывает ограничения на объем заправки», - заявил Элбель, подчеркнув, что вопросы безопасности по-прежнему являются основной проблемой при более широком внедрении пропана в мобильные системы.

Пропан особенно эффективен в системах, работающих при умеренных и высоких температурах окружающей среды. Для систем BEV, которым требуется архитектура вторичного контура, R290 может быть более подходящим вариантом.

Однако, Элбель отметил, что воспламеняемость пропана может потребовать использования систем с вторичным контуром. Это снижает количество хладагента, находящегося в непосредственном контакте с салон автомобиля. Хотя системы вторичного контура повышают безопасность, они могут снизить эффективность системы из-за дополнительных этапов теплопередачи.

В настоящее время пропан не предлагается ни в одной автомобильной системе MAC, но блоки HVAC R290 набирают популярность в пассажирском железнодорожном транспорте.

Повышение эффективности

Элбель определил потенциальные решения для повышения производительности систем MAC, работающих на CO2 и пропане.

Поскольку при высоких температурах окружающей среды эффективность использования CO2 снижается, особенно в системах кондиционирования воздуха, исследователи работают над внедрением передовых технологий, таких как эжекторы, впрыск пара и улучшенные теплообменники, чтобы повысить эффективность таких систем.

Горючесть пропана ограничивает допустимую заправку хладагента. Тем не менее, разработки в области конструкции теплообменников и компрессорных технологий помогают соблюдать ограничения по заправке, сохраняя эффективность системы.

«И пропан, и CO2 являются жизнеспособными альтернативами для мобильных кондиционеров и тепловых насосов, но время покажет, что из них будет преобладать в зависимости от будущих потребностей и разработок»,

— сказал Элбель.