Kälteanwendungen und Kältemitteltypen

In einer Zukunft, in der die Treibhauspotential-Werte aufgrund von Reduktionen sinken und die Anforderungen an die Energieeffizienz (MEPS) steigen, werden sich HVACR-Experten auf die Verwendung von Komponenten konzentrieren, die eine möglichst geringe Füllmenge ermöglichen, sowie auf Technologien, die für ein bestimmtes Kältemittel das beste Preis-Leistungs-Verhältnis bieten.

Erfahren Sie unten mehr über wichtige Anwendungen:

Kaltwassersätze

Wenn es um Kältemittel geht, werden Kaltwassersätze im Allgemeinen in zwei Kategorien eingeteilt: Nieder-/Mitteldruck und Mittel-/Hochdruck. Bei Nieder-/Mitteldruck-Kaltwassersätzen ist die Verwendung von reinen HFO (R1233zd und R1234ze) nützlich, die zu einem Treibhauspotential von fast null führen. Die Nachteile in Bezug auf die Entflammbarkeit sind relativ gering und überschaubar, vor allem wenn die Systeme im Freien oder in Maschinenräumen aufgestellt werden. Es ist zu erwarten, dass diese Systeme kurz- bis mittelfristig für Kältemittel mit sehr niedrigem Treibhauspotential modifiziert werden. Der obere Treibhauspotential-Grenzwert für große Mittel-/Hochdruck-Kaltwassersätze könnte bis zu 630 betragen, was dem Treibhauspotential des HFO-Gemisches R513A entspricht, das im Juli 2015 in der SNAP-Richtlinie der EPA auf die Liste der zugelassenen Kältemittel gesetzt wurde. Die Verwendung von R134a wird jedoch ab 2024 schrittweise verboten.

Bei Mittel-/Hochdruck-Kaltwassersätzen weisen die Alternativen mit 125 bis 750 ein mittleres Treibhauspotential auf – vorausgesetzt, Nutzer akzeptieren ein Kältemittel der Sicherheitsgruppe A2L (schwer entflammbar). Diese Alternativen sollten ebenfalls für Systeme akzeptabel sein, die im Freien oder in Maschinenräumen aufgestellt werden.</> Der Markt wird wahrscheinlich auf die Alternativen umsteigen, die das beste Verhältnis zwischen niedrigen Systemkosten und hoher Systemleistung bieten. Wir gehen davon aus, dass Kältemittel mit hoher Dichte/hohem Druck dazu gehören werden (Treibhauspotential beträgt etwa 500 bis 750).

VRF-Systeme

In VRF-Systemen werden im Vergleich zu Systemen mit Luftkanälen relativ hohe Kältemittelmengen verwendet. Dies liegt an den dezentralisierten Verdampfern und den langen und verzweigten Rohrleitungsstrecken. Für eine Reduzierung der Rohrleitungsgröße sind Kältemittel mit mittlerer bis hoher Dichte erforderlich. Für R410A stellen A2L-Kältemittel wie R32 oder DR55 die einzigen Alternativen dar.

Bei der Verwendung von A2L-Kältemitteln spielen Sicherheitsnormen wie die EN 378 und ISO 5149 eine wichtige Rolle. In den aktuellen Versionen wurde die zulässige Menge von A2L-Kältemitteln erheblich erhöht. Die Arbeitsgruppe um die ASHRAE-Norm 15 beschäftigt sich ebenfalls mit dem zukünftigen Bedarf an Kältemitteln mit niedrigem Treibhauspotential. Obwohl diese Sicherheitsnormen zwingend eingehalten werden sollten, sind sie allein als Schutzmaßnahme noch nicht ausreichend. Viele lokale Brandschutzbestimmungen schränken die Verwendung von A2L-Kältemittel erheblich ein. Innovative alternative Fluide zur Umwälzung werden fortwährend weiterentwickelt. Eine offensichtliche Wahl für Zirkulationssysteme stellt Wasser dar – und selbst CO₂ wurde vorgeschlagen. Die jüngsten Maßnahmen des Montreal-Protokolls für die schrittweise Reduktion von FKW rücken Möglichkeiten und Risiken in den Vordergrund, die sich in Verbindung mit der Verwendung von A2L-Kältemitteln ergeben. Die nächsten Jahre werden wahrscheinlich eine weitaus deutlichere Richtung bei der Kältemittelauswahl für VRF-Systeme vorgeben.

Industriekälte

Auf den ersten Blick scheint es in der Industriekälte in Bezug auf Kältemittel mit niedrigerem Treibhauspotential keine Probleme zu geben, jedoch sehen wir immer noch mögliche Fallstricke und Raum für Innovationen. Das Kältemittel Ammoniak (NH₃) ist aufgrund seines hohen realisierbaren Wirkungsgrads seit Langem die erste Wahl für Anwendungen der Industriekältetechnik und wird weiterhin eingesetzt, da die Anforderungen an nachhaltige Kältemittel steigen. Sicherheitsbedenken könnten den Erfolg von NH₃ jedoch möglicherweise einschränken, da es giftig ist; in den letzten zehn Jahren gab es einige schwere Unfälle, aus denen wir als Branche einige wichtige Lehren wie die Vermeidung großer Füllmengen und die sorgfältige Planung des Standorts größerer Anlagen gezogen haben. Dies hat dazu geführt, dass in der Industriekälte neue, innovative Wege zur Reduzierung der Füllmengen gefunden wurden. Eine Möglichkeit, die Füllmenge zu verringern und gleichzeitig die Effizienz zu erhöhen, ist die Kombination von NH₃ mit CO₂: CO₂ kommt die Rolle des Wärmeträgers zu und es wird in den größeren Speichern zirkuliert.

Gewerbekälte und Lebensmitteleinzelhandel

Gewerbekälte- und Lebensmitteleinzelhandelanwendungen sind in Bezug auf die Systemtypen und die verwendeten Kältemittel sehr verschieden. Dazu gehören Kühlräume, Kühlregale und -theken, sowohl als zentralisierte als auch als Plug-in-Ausführungen – in hermetischen oder autonomen Kühlkreisen mit Verflüssigungssätzen. 

Gewerbekälte- und Lebensmitteleinzelhandelanwendungen lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen. 

Hermetisch dichte Anwendungen eignen sich für die Verwendung von Kältemitteln mit niedrigem Treibhauspotential, die dank geringer Füllmengen sicher sind. In vielen dieser Systeme kommen bereits Kohlenwasserstoffe wie R600a und R290 zum Einsatz. Für die schrittweise Reduktion von Treibhausgasemissionen in der EU sind seit 2016 nur Stoffe mit einem Treibhauspotential von unter 150 erlaubt.

Verflüssigungssätze verfügen in der Regel über eine Kältemittelfüllmenge zwischen 5 und 20 kg. Für sie sind bestimmte Sicherheitsvorschriften notwendig, da sie brennbare Kältemittel enthalten und viele dieser Systeme öffentlich zugänglich sind.

Kältemittel mit hohem Treibhauspotential wie R404A werden seit vielen Jahren eingesetzt, jedoch weisen neue Alternativen – A1-klassifizierte FKW – ein im Vergleich zu R404A 60 % geringeres Treibhauspotential auf. Die Auswirkungen von höheren Verdichter-Heißgastemperaturen auf den Betriebsbereich sowie die Folgen des Kältemittelgleits auf die Kälteleistung stellen jedoch neue Herausforderungen dar. Wir sind davon überzeugt, dass der Markt schnell auf ein Kältemittel mit mittlerem Treibhauspotential (von etwa 1.500) umsteigen wird, bevor allmählich weitere Lösungen mit geringerem Treibhauspotential (CO₂, R290 (Kohlenwasserstoffe) oder HFO-Gemische) ins Spiel kommen werden.

Zentralisierte Direktexpansionssysteme verbrauchen mit Abstand am meisten Kältemittel. Dies liegt an den großen Kältemittelfüllmengen und den hohen Leckageraten. Es wird geschätzt, dass sie eine Kältemittelmenge nutzen, die mehr als 40 % des Ausgangsniveaus beträgt, das im Rahmen der schrittweisen Reduktion von Treibhausgasemissionen in der EU empfohlen wird. In den letzten zehn Jahren hat sich CO₂ zu einem alternativen Kältemittel entwickelt und kann in verschiedenen Anlagenkonfigurationen eingesetzt werden:

  • Transkritische Systeme, bei denen CO₂ in allen Kreisläufen (NK und TK) eingesetzt wird. Transkritische CO₂-Systeme haben auch die Entwicklung von integrierten Heiz- und Kühlsystemen vorangetrieben, bei denen die Wahl des Kältemittels mit der Art des Systems in Verbindung steht.
  • Indirekte Systeme, bei denen ein kaltwassersatzähnliches Gestell mit FKW, KW oder NH₃ das CO₂ in einem Sammler kühlt, das dann im NK-Kreislauf zirkuliert und den NK-Kreislauf kühlt. Bei der TK kommt ebenfalls CO₂ zum Einsatz, das entweder direkt zum Kaltwassersatz oben oder zum CO₂-NK-Kreislauf kondensiert. 
  • Kaskadenanlagen, bei denen CO₂ nur im TK-Kreislauf eingesetzt und in den NK-Kreislauf mit FKW kaskadiert wird. Diese Art von System nutzt trotzdem noch etwa 80 % der in einem herkömmlichen System verwendeten FKW-Kältemittelmenge

Die Umgebungstemperatur und damit der geografische Aufstellungsort beeinflussen die Energieeffizienz eines Systems. Transkritische CO₂-Systeme sind bekannt dafür, dass sie sehr empfindlich auf eine Veränderung der Außentemperatur reagieren. Allerdings haben die neuesten Lösungen mit Einspritztechnologie den Gesamtwirkungsgrad von CO₂-Systemen deutlich erhöht – das gilt auch für sehr warme Klimazonen. Wir erwarten, dass ihr Marktdurchbruch in den nächsten Jahren stattfinden wird.

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