Köldmedier: den aktuella utvecklingen

Mobil luftkonditionering
Sektorn för mobil luftkonditionering (MAC) har varit den första inom EU att regleras i termer av tillåtna köldmediers uppvärmningspotential (GWP). Direktiv 2006/40/EC (även känd som "MAC-direktivet) påtvingar användningen av köldmediegaser med ett GWP på högst 150 i alla personbilar, med undantag för återfyllnad i luftkonditioneringssystem monterade i fordon före 2017.

För närvarande är R1234yf det huvudsakliga alternativet för köldmedium i MAC-system. Ett pionjärarbete inom detta område är de studier av R1234yf som R134a alternativ i MAC-system som publicerats av Zilio et al. [1]. De lade märke till att kylkapaciteten och COP av "drop-in" R1234yf är betydligt lägre än snittet för R134a i deras system. En tidig notering av Lee och Jung [2] kvantifierade förlusten i R1234yf:s köldfaktor till mellan 0,8 och 2,7 %, medan förlusten i kylkapacitet var upp till 4,0 %. Ett antal studier har utförts sedan dess och nya tillkommer, som specifikt studerar R1234yf som ett alternativ till R134a i luftkonditioneringssystem för fordon (t ex [3]).

Då tidig forskning identifierat förlusten av kylkapaciteten vid användning av R1234yf istället för R134a har ett antal studier därefter fokuserat på möjliga förbättringar av grundläggande mobila luftkonditioneringssystem för att ta itu med problemet [4]. Till exempel, Cho et al. [5] där det påvisades prestandaförbättring med hjälp av en intern värmeväxlare med dubbelrör för R1234yf-system.

R1234yf tycks dominera marknaden för mobila luftkonditioneringssystemen till nya personbilar. Ett antal alternativa köldmedier, bl a R152a och CO₂, har utvärderats tidigare men aldrig utvecklats vidare. Nu har dock Daimler lovat att införa CO₂-system i utvalda bilar redan under innevarande år [6].

En annan möjlighet för utvecklingen av MAC-system är kopplad till utvecklingen av eldrivna fordon. I sådana fordon krävs en avsevärd mängd energi för uppvärmning, vilket effektivt skulle kunna tillgodoses med hjälp av värmepumpar. Tekniken med värmepumpar i bilar har faktiskt redan testats i produktion. I detta fall blir också systemet för fordonets luftkonditionering en betydande energiförbrukare, vilket föranleder större uppmärksamhet från fordonstillverkare. Nya möjliga lösningar för MAC i elektriska system har således börjat diskuteras [7].

Kyl- och frysskåp för hushållsbruk

Det beräknas att 100 miljoner hushållskylskåp och -frysskåp tillverkas årligen över hela världen. En tredjedel av dessa använder antingen isobutan eller en isobutan/propanblandning. Denna andel förväntas öka till 75 procent år 2020 [8]. Inom EU är kolväten helt dominerande i kyl- och frysskåp för hushållsbruk i EU och isobutan används i majoriteten av systemen. Detta uppfyller F-gasförordningens krav (GWP 150 gräns) för köldmedier i sådana system.

Medan många länder föredrar kolväten i kyl- och frysskåp för hushållsbruk, använder man i USA fortfarande R134a för dessa applikationer. Det är dock att på väg att ändras, nyligen meddelade US EPA (Environmental Protection Agency) att R134a och några andra HFC:er inte längre kommer accepteras för användning i nya kylskåp och frysskåp för hushållsbruk i USA från 2021. Som alternativ listar de bl a kolväten samt R450A och R513A [8]. Andra alternativ, såsom R1234ze(E), beaktas också [9]. För att underlätta användningen av miljövänliga kolväten kommer den amerikanska säkerhetsnivån tillåta högre HC-köldmediefyllningar; en ökning från 57 g till 150 g (dvs. till motsvarande mängd som tillåts i EU).

Kyl- och frysskåp för kommersiellt bruk (hermetiskt sluten utrustning)

De mest använda köldmedierna i kyl- och frysskåp för kommersiellt bruk (med fokus på hermetiskt sluten utrustning) är R134a, R404A, kolväten och koldioxid där endast de naturliga köldmedierna uppfyller F-gasförordningens krav (GWP <150 från år 2022). Övriga alternativ till R134a och R404A på den europeiska marknaden är brännbara; HFO:er som R1234yf och R1234ze(E) för att ersätta R134a respektive blandningen R455A för att ersätta R404A .

De icke brännbara alternativen (t ex R134a-alternativen R450A och R513A; R404A-alternativen R448A och R449A) har betydligt högre GWP-värde än vad som tillåts från 2022.

Eftersom användningen av brandfarliga alternativ kräver systemutformning kan vi därför förvänta oss att naturliga köldmedier kommer att användas i de flesta av systemen så snart säkerhetskrav för kolväten och begränsningar av koldioxid beaktas. I andra fall förutses användning av brännbara syntetiska alternativ.

Splitsystem

Splitsystem för luftkonditionering och värmepumpar använder normalt R410A som köldmedium. I framtiden behöver sådana system, vilka innehåller mindre än 3 kg fluorerade växthusgaser, använda köldmedier med GWP under 750. De flesta HFO:er har mycket lägre kapacitet och sämre prestanda än R410A [10] vilket gör att de inte fördras för användning i splitsystem. R32 har istället föreslagits att ersätta R410A och har GWP-värde strax under denna gräns. Detta köldmedium ger en stor möjlighet att minska de direkta utsläppen i ny utrustning på grund av följande tre huvudfaktorer: 66 % GWP-minskning jämfört med R410A, mindre köldmediefyllning och högre effektivitet. Trots att R32 är ett känt köldmedium (används bl a som en komponent i R410A), har vissa begränsningar främjat användningen R410A under de senaste decennierna.

Huvuddelen av studierna konstaterar att R32 presenterar högre energiprestanda än R410A men samtidigt en väldigt hög hetgastemperatur som begränsar dess tillämpning [11]. I vissa fall den kan vara ett bekymmer för kompressorns livslängd [12]. För att minska denna temperatur och på samma gång öka energiprestandan för luftkonditioneringssystemet med R32, har flera grundläggande förändringar i köldmediecykeln föreslagits, till exempel användning av förbättrad ånginsprutning [13]. I motsats till andra syntetiska köldmedier är användningen av intern värmeväxlare inte att rekommendera för R32 eftersom det ytterligare ökar hetgastemperaturen [14].

Ett annat sätt att sänka hetgastemperaturen är att använda R32 i blandning med andra köldmedier. R447A, vilket är blandningen av R32 med R125 och R1234ze (E), visade sig vara möjligt alternativ till R410A och R32 i ett 10,55 kW:s luftkonditioneringssystem [15]. Ett antal andra blandningar föreslås också (t.ex. R452B och R454B).

Trots att GWP-begränsningen för splitsystem träder i kraft först från 2025 används R32 redan i ett antal system och luftkonditioneringssystem som använder R32 finns redan på marknaden i Europa [16].

Följ gärna våra publikationer och få vårt digitala nyhetsbrev. Anmäl dig .

Källor

[1] C. Zilio, S. Brown, G. Schiocheta och A. Cavallinia, ”The refrigerant R1234yf in air conditioning systems,” Energy, vol. 36, nr 10, p. 6110–6120, 2011.

[2] Y. Lee och D. Jung, ”A brief performance comparison of R1234yf and R134a in a bench tester for automobile applications,” Applied Thermal Engineering, vol. 35, pp. 240-242, 2012.

[3] S. Daviran, A. Kasaeiana, S. Golzari, O. Mahian, S. Nasirivatanc och S. Wongwisesd, ”A comparative study on the performance of HFO-1234yf and HFC-134a as an alternative in automotive air conditioning systems,” Applied Thermal Engineering, vol. 110, p. 1091–1100, 2017.

[4] Z. Qi, ”Performance improvement potentials of R1234yf mobile air conditioning system,” International Journal of Refrigeration, vol. 58, pp. 35-40, 2015.

[5] H. Cho, H. Lee och C. Park, ”Performance characteristics of an automobile air conditioning system with internal heat exchanger using refrigerant R1234yf,” Performance characteristics of an automobile air conditioning system with internal heat exchanger using refrigerant R1234yf, vol. 61, nr 2, p. 563–569, 2013.

[6] Daimler AG, ”From 2017: First vehicles with CO₂ air conditioning,” 2017. [Online]. Available: https://www.daimler.com/sustainability/product/further-environmental-technologies/co2-air-conditioning-system.html. [Använd 08 03 2017].

[7] Q. Peng och Q. Du, ”Progress in heat pump air conditioning systems for electric vehicles—a review,” Energies, 2016.

[8] EPA, ”Significant New Alternatives Policy (SNAP). Acceptable Substitutes in Household Refrigerators and Freezers,” United States Environmental Protection Agency, 06 01 2017. [Online]. Available: https://www.epa.gov/snap/acceptable-substitutes-household-refrigerators-and-freezers. [Använd 08 03 2017].

[9] C. Apreaa, A. Grecob, A. Maiorinoa, C. Massellia och A. Metalloa, ”HFO1234ze as Drop-in Replacement for R134a in Domestic Refrigerators: An Environmental Impact Analysis,” Energy Procedia, vol. 101, p. 964–971, 2016.

 [10] M. McLinden, S. Brown, R. Brignoli, A. Kazakov och P. Domanski, ”Limited options for low-global-warming-potential refrigerants,” Nature Communications, pp. 1-9, 2017.

[11] C. Zilio, R. Brignoli och N. Kaemmer , ”Energy efficiency of a reversible refrigeration unit,” Science and Technology for the Built Environment, vol. 21, pp. 502-514, 2015.

[12] J. Jianhua Wu, J. Hu, A. Chen, X. Zhoub och Z. Chen, ”Numerical analysis of temperature distribution of motor-refrigerant in a R32 rotary compressor,” Applied Thermal Engineering, vol. 95, p. 365–373, 2016.

[13] X. Shuxue, M. Guoyuan, L. Qi och L. Zhongliang, ”Experiment study of an enhanced vapor injection refrigeration/heat pump system using R32,” International Journal of Thermal Sciences, vol. 68, pp. 103-109, 2013.

[14] C. Park, H. Lee, Y. Hwang och R. Radermacher, ”Recent advances in vapor compression cycle technologies,” International Journal of Refrigeration, vol. 60, pp. 118-134, 2015.

[15] A. Alabdulkarem, R. Eldeeb, Y. Hwang, V. Aute och R. Radermacher, ”Testing, simulation and soft-optimization of R410A low-GWP alternatives in heat pump system,” International Journal of Refrigeration, vol. 60, pp. 106-117, 2015.

[16] Cooling post, ”Mitsubishi announces European R32 launch,” 17 02 2017. [Online]. Available: http://www.coolingpost.com/world-news/mitsubishi-announces-european-r32-launch/. [Använd 08 03 2017].