Экологичность и экономическая эффективность холодильных систем на СО2 в магазиностроении

1. Вводная часть: история вопроса, связь экологичности с энергетической и экономической эффективностью.

Введение.

К современным торговым холодильным системам предъявляется множество различных требований. В том числе — касающихся его экологичности и энергетической эффективности. Кроме того, для владельца особенно важна экономическая составляющая, то есть, разумные капитальные затраты и, по возможности, небольшие эксплуатационные расходы, обеспечивающие скорейшую окупаемость  оборудования.

Три эти характеристики — экологичность, энергоэффективность и финансовая выгодность холодильного оборудования — находятся между собой в тесной взаимосвязи.

Говоря об экологической безопасности холодильного оборудования, прежде всего имеют в виду способность используемых в нём хладагентов разрушать стратосферный озон (эта способность выражается через величину озоноразрушающего потенциала — ОРП), а также влияние хладагентов на климат посредством так называемого «парникового эффекта». Это влияние обычно выражают через такую характеристику, как потенциал глобального потепления (ПГП).

Краткая история хладагентов.

Исторически, в качестве хладагентов в первых холодильных машинах использовались  воздух, вода, диоксид углерода (СО2), аммиак, сернистый ангидрид и другие. Однако часть этих веществ, в силу термодинамических свойств, не могла обеспечить достаточную эффективность охлаждение, другая же, из-за несовершенства существовавших технологий, была небезопасна в эксплуатации.

В 1928 году Томас Миджли синтезировал дифтордихлорметан, заменив атомы водорода в молекуле метана двумя атомами хлора и двумя атомами фтора. Это вещество, получившее торговое обозначение «фреон», и известное сейчас как R-12, стало родоначальникам целого класса синтетических хладагентов — хлорфторуглеродов (ХФУ).

Обладавшие замечательными термодинамическими свойствами и при этом безопасные для человека по сравнению с широко применявшимися до этого аммиаком или сернистым ангидридом (чтобы продемонстрировать, что фреон не горит и не вредит здоровью, Миджли вдыхал его, а затем выдыхал на пламя свечи, которая при этом гасла), ХФУ быстро получили широкое распространение и в большинстве областей применения холодильных машин вытеснили природные хладагенты.

Лишь спустя десятилетия было выдвинуто предположение, что попадающие в атмосферу ХФУ разрушают озоновый слой, защищающий поверхность планеты от жесткого ультрафиолетового излучения. Вскоре это предположение получило практическое подтверждение в виде обнаруженной над Антарктидой так называемой «озоновой дыры».

22 марта 1985 года на совещании в Венев результате напряженных международных переговоров была принята Венская конвенция об охране озонового слоя. Государства (Стороны), подписавшие и ратифицировавшие этот документ, взяли на себя обязательства по сотрудничеству в исследованиях и научной оценке состояния озонового слоя, обмене соответствующей информацией и принятию надлежащих мер по предотвращению деятельности, потенциально угрожающей озоновому слою.

16 сентября 1987 г. в Монреале (Канада) представители 46 стран подписали Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. В приложения к протоколу были включены хлорфторуглероды (ХФУ) и бромсодержащие галоны, подлежащие регулированию посредством обязательств по ограничению потребления, производства, импорта и экспорта. В последующем к Монреальскому протоколу были приняты поправки и корректировки, которые расширили перечень контролируемых веществ, сроки прекращения их производства и потребления, а также меры по ограничению экспортно-импортных операций.

В качестве «переходных» хладагентов предлагалось использовать гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), обладающие меньшим, чем у ХФУ, ОРП. Затем, на смену им появились гидрофторуглероды (ГФУ) — не содержащие хлора хладагенты с нулевым ОРП.

Однако и ГХФУ, и ГФУ — это газы с высоким ПГП. Уже к моменту их появления на рынке стало ясно, что изменение климата (глобальное потепление), вызванное деятельностью человека, — глобальная проблема, так же, как и разрушение озонового слоя, требующая для решения объединения всего населения планеты.

В результате антропогенного воздействия за последние 40-50 лет средняя температура на планете поднялась на 0,6-0,7 °С и достигла наиболее высоких значений за последние 600 лет. Уровень океана за последние сто лет поднялся на 10-15 см. За этот же период отступили все зарегистрированные горные ледники.

Спектр пагубных последствий дальнейшего воздействия на климат в результате эмиссии парниковых газов весьма широк: от затопления прибрежных районов в результате повышения уровня мирового океана, до голода из-за запустынивания плодородных земель и перераспределения осадков.

9 мая 1992 года в Нью-Йорке в соответствии с резолюцией Генеральной Ассамблеи ООН об охране глобального климата в интересах нынешнего и будущего поколений принята Рамочная конвенция ООН об изменении климата (РКИК).

В 1997 году в дополнение к РКИК в городе Киото (Япония) был подписан Киотский протокол. Киотский протокол обязывал большинство промышленных стран мира к 2012 г. сократить свои объемы парниковых выбросов в среднем на 5,2 % от уровня 1990 г. (эта цель не была достигнута в полном объеме). В декабре 2012 г. совместным решением представителей почти 200 стран действие Киотского протокола продлено до 2020 г.

Кроме того, в ряде стран приняты нормативные документы, строго регламентирующее оборот фторсодержащих парниковых газов (в том числе — ГФУ) и предполагающие принятие конкретных мер по их постепенному выводу из обращения. Так, в странах Евросоюза действует Регламент № 517/2014 о фторсодержащих парниковых газах, предписывающий к 2030 году сократить потребление ГФУ в Европе на 79%, для чего, в частности, с 2022 года предлагается запретить использование ГФУ в новом оборудовании нескольких видов, главным образом коммерческого назначения (подробнее некоторые положения этого документа будут рассмотрены в разделе курса, посвященном нормативной базе в мире и в РФ).

Таким образом, холодильная отрасль была вынуждена искать хладагенты, удовлетворяющие экологическим требованиям. Таким хладагентами, в частности, является ряд природных веществ, использовавшихся еще на заре холодильной индустрии (в их числе — СО2). Современный уровень развития технологий позволяет обеспечить безопасность и эффективность их использования. Кроме того, природные хладагенты, как правило, дешевле и доступнее синтетических.

Энергоэффективность и парниковые выбросы.

Не секрет, что в структуре расходов, необходимых для обеспечения нормального функционирования торгового предприятия, существенная доля приходится на оплату электроэнергии. В свою очередь, доля холодильных систем в общем энергопотреблении магазина часто превышает 50%, а в ряде случаев – например, в мясных павильонах, достигает 80%.

Вот почему для владельца магазина важно снижать энергопотребление за счет использования более энергоэффективного оборудования.

Кроме того, повышение энергоэффективности во многих странах стало одним из важнейших направлений государственной политики, которая реализуется, в том числе, и экономическими методами — предприятия, устанавливающие энергоэффективное оборудование, получают субсидии и налоговые льготы, те же, где энергия расходуется неэффективно, получают не только огромные счета за электричество, но порой еще и вынуждены выплачивать штрафы.

Связано такое внимание к энергоэффективности, во-первых, с необходимостью экономить невосполняемые источники энергии, к которым относится ископаемое топливо (за счет сжигания которого производится существенная часть электроэнергии).

Во-вторых, сжигание ископаемого топлива — основной источник антропогенных парниковых выбросов. В среднем, в России при производстве 1 кВт*ч электроэнергии в атмосферу выделяется 0,55 кг диоксида углерода (СО2) — основного «парникового» газа. В регионах, где топливом для производства электричества служит преимущественно уголь, величина удельных парниковых выбросов может превышать 1 кг СО2/кВт*ч.

Забегая вперед, следует сказать, что несмотря на то, что СО2 является парниковым газом (за единицу ПГП принято именно парниковое воздействие диоксида углерода), его применение в качестве хладагента вместо ГФУ позволяет существенно снизить как прямые парниковые выбросы из-за утечки (ГФУ имеют ПГП, тысячекратно превышающий ПГП СО2), так и косвенные парниковые выбросы из-за производства электроэнергии (многие предназначенные для магазинов холодильные системы на СО2 энергоэффективнее систем аналогичной производительности на ГФУ).

Резюме.

Стремление сохранить озоновый слой и смягчить негативные последствия изменения климата, вызванного деятельностью человека, требует повышать энергоэффективность оборудования (в том числе – холодильного) и использовать хладагенты с нулевым ОРП и нулевым или крайне малым ПГП. Следование этому принципу ведет к сокращению расходов на эксплуатацию оборудования и в ряде случаев позволяет рассчитывать на финансовые льготы со стороны государства. Несоблюдение же этого принципа противоречит требованиям международных соглашений и норма национального законодательства норм и потому может повлечь за собой строгие санкции.

Применение природных хладагентов способствует сохранению окружающей среды, позволяет получить финансовую выгоду за счет меньшей, чем у синтетических хладагентов цены, высокой энергоэффективности работающего на природных хладагентах оборудования. Кроме того, использование природных хладагентов соответствует политике импортозамещения, так как синтетические хладагенты, как правило, поставляются из-за рубежа.

2. Нормативная база в мире и в РФ

Международные соглашения

Как уже было сказано в предыдущем разделе, с точки зрения международного права, основной движущей силой отказа от использования ГХФУ и роста интереса к природным хладагентам, таким как СО2, в холодильной отрасли является Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой.

Основные положения Монреальского протокола изложены в следующих статьях:

• Статья 2. Меры регулирования. График поэтапного прекращения производства и потребления ОРВ.
• Статья 4. Контроль торговли ОРВ.  Меры контроля призваны, во-первых, поощрять страны присоединяться к Монреальскому протоколу, а во-вторых, предотвращать передачу ОРВ странам, не являющимся сторонами Монреальского протокола.
• Статья 5. Специальный статус развивающихся стран. Одной из характерных особенностей Монреальского протокола является особый режим для развивающихся стран. В соответствии с 5-й статьей, развивающиеся страны с уровнем потребления ОРВ ниже установленного предела (страны, действующие в рамках Статьи 5) имеют право отсрочить на 10 лет соблюдение мер регулирования, предусмотренных в Статье 2, «для удовлетворения своих основных внутренних потребностей».
• Статья 6. В соответствии с этой статьей не реже, чем один раз в 4 года, пересматриваются меры регулирования на основе обзора и оценки самой последней информации о научных, экологических, технических и экономических аспектах разрушения озонового слоя. В частности, именно подобные научные оценки послужили основой для принятия Сторонами поправок и корректировок к Монреальскому протоколу.
• Статья 7. Статья предписывает ежегодно представлять в Секретариат по озону статистические данные о производстве, импорте и экспорте каждого из регулируемых веществ. На основе этих данных формулируются соответствующие меры по регулированию ОРВ, разрабатываются стратегии поэтапного сокращения производства и применения их, а также обеспечивается необходимая и финансовая помощь для выполнения Монреальского протокола.
• Статья 8. Несоблюдение. Эта статья предусматривает меры в отношении Сторон, которые не соблюдают положения Протокола, включая требования о представлении данных, мер регулирования и положения, касающиеся торговли. Комитет по выполнению, созданный в соответствии с этой процедурой, рассматривает обстоятельства случаев возможного несоблюдения. О случаях несоблюдения Монреальского протокола Комитет представляет информацию на совещаниях Сторон и рекомендует принятие таких мер, таких как: оказание технической или финансовой помощи; вынесение предупреждений; приостановление статуса Стороны Монреальского протокола.
• Статья 10. Финансовые механизмы. Механизм финансирования для содействия передаче заменителей и связанных с ними технологий включает в себя Многосторонний фонд Монреальского протокола (МФМП), а также другие формы многостороннего, регионального и двустороннего сотрудничества. Из средств МФМП покрываются согласованные дополнительные расходы, которые несут развивающиеся страны, действующие в рамках пункта 1 Статьи 5, по соблюдению мер регулирования, предусмотренных Монреальским протоколом.

С учетом всех поправок и корректировок к протоколу, с 1 января 2015 г. по 31 декабря 2019 г. потребление ГХФУ в Российской Федерации не должно превышать 339,69 тонн ОРП, а с 1 января 2020 г. по 31 декабря 2029 г. — 19,98 тонн ОРП. Тонна ОРП — количество вещества, озоноразрушающее действие которого эквивалентно воздействию тонны трихлорфторметана (ХФУ-11). Чтобы получить величину в тоннах ОРП, количество озоноразрушающего вещества в метрических тоннах умножают на значение ОРП данного вещества.

В свою очередь, Киотский протокол, принятый в качестве дополнения к Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК) в 1997 году, обязывает подписавшие его стороны сократить или стабилизировать парниковые выбросы в атмосферу.

Ряд государств-участников Протокола определили количественные обязательства по ограничению либо сокращению выбросов на период с 1 января 2008 года по 31 декабря 2012 года. Цель ограничений — снизить в этот период совокупный средний уровень выбросов 6 типов газов (углекислый газ, метан, фторуглеводороды (ГФУ), фторуглероды, закись азота, гексафторид серы) на 5,2 % по сравнению с уровнем 1990 года. Основные обязательства взяли на себя индустриальные страны: Евросоюз должен был сократить выбросы на 8 %, США - на 7%, Япония и Канада — на 6 %, страны Восточной Европы и Прибалтики — в среднем на 8 %, Россия и Украина — сохранить среднегодовые выбросы в 2008—2012 годах на уровне 1990 года

Развивающиеся страны, включая Китай и Индию, обязательств на себя не брали. США Протокол подписали но не ратифицировали, поэтому стороной-участницей соглашения не являются и никаких обязательств не несут. В 2011 году ряд стран, в числе которых была и Российская Федерация, заявили о нежелании участвовать во втором периоде действия Протокола, который должен был начаться 1 января 2013 года. В итоге из Протокола вышла Канада, а Россия и несколько других стран сохранили формальное участие, однако отказались от каких-либо обязательств по сокращению парниковых выбросов.

В 2021 в Глазго состоялось 26 встреча участников конференции об изменении климата, где к обязательствам присоединилась США ранее вышедшие из договора. Президент России Владимир Путин решил воздержаться от личного участия в конференции в Шотландии. Также сообщалось, что в Глазго не приедут президент Бразилии Жаир Болсонару, мексиканский лидер Андрес Мануэль Лопес Обрадор, премьер-министр Японии Фумио Кисида. и председатель КНР Си Цзиньпин.

В своем видеообращении к участниками саммита G20 в воскресенье Путин пообещал, что углеродная нейтральность в России должна быть обеспечена к 2060 году.

Несмотря на то, что СО2 (диоксид углерода) сам по себе является одним из парниковых газов, выбросы которых призван ограничить Киотский протокол, использование холодильных машин, где в качестве хладагента применяется СО2, а не ГФУ, позволяет уменьшить парниковые выбросы, выполняя тем самым требования документа. Как было сказано в предыдущем разделе, парниковое воздействие (ПГП) ГФУ в сотни раз превышает воздействие СО2, следовательно, утечка хладагента в системе на СО2 намного менее опасна для климата, чем в системе на ГФУ. При этом энергоэффективность систем на СО2 часто выше, чем у систем на ГФУ, следовательно, их непрямые парниковые выбросы (выбросы СО2 при выработке энергии, необходимой для работы) меньше.

Зарубежные нормативно-правовые документы

Документом, определяющим направление развития холодильной отрасли в сторону все более широкого использования хладагентов с низким и нулевым ПГП, в странах Европы является Регламент (ЕС) № 517/2014 Европейского Парламента и Совета Европейского союза о фторсодержащих парниковых газах и аннулировании Регламента (ЕС) № 842/2006. Этот документ  ужесточает требования к использованию фторсодержащих парниковых газов и ускоряет их вывод из обращения.

Документ предполагает к 2030 году сократить количество ГФУ, находящихся в европейском обороте, на 79% по сравнению со среднегодовым уровнем 2009-2012 гг, выраженном в тоннах CO2-эквивалента (масса хладагента в метрических тоннах, умноженная на величину его ПГП). График сокращения объема представлен в таблице 1.

Таблица 1. Максимальное количество ГФУ на рынке ЕС

Годы	Количество ГФУ в процентах от среднегодового значения за период с 2009 по 2012 гг.*
2015	100 %
2016–17	93 %
2018–20	63 %
2021–23	45 %
2024–26	31 %
2027–29	24 %
2030	21 %

*за исключением ГФУ, предназначенных для использования в целях, предусмотренных пунктом 2 Статьи 13 Регламента.

С 1 января 2020 года вступил в силу запрет на применение фторсодержащих газов с потенциалом глобального потепления (ПГП) не меньше 2 500 для технического обслуживания или текущего ремонта оборудования, содержащего парниковые газы в количестве не менее 40 тонн в эквиваленте CO2. Это не распространяется на военную технику и сверхнизкотемпературные системы, предназначенные для охлаждения до -50°С и ниже. При наличии соответствующей маркировки до 1.01.2030 г. для технического обслуживания или текущего ремонта можно будет использовать восстановленные фторсодержащие газы с ПГП не меньше 2500, а также рециклированные газы, предварительно извлеченные из этого оборудования.

Сроки вступления в силу запретов на размещение ГФУ на рынке в зависимости от ПГП и области применения, представлены в таблице 2.

Таблица 2. График запрета на размещение на рынке изделий и оборудования (за исключением военной техники)

Изделия и оборудование		Дата начала действия запрета
Противопожарное оборудование	содержащее ГФУ-23	01.01.2016
Бытовые холодильники и морозильники, содержащие ГФУ с ПГП не ниже 150		01.01.2015
Холодильники и морозильники для коммерческого использования (герметичные)	содержащие ГФУ с ПГП не ниже 2500	01.01.2020
	содержащие ГФУ с ПГП не ниже 150	01.01.2022
Стационарное холодильное оборудование, в котором содержатся или используются ГФУ с ПГП не ниже 2500, за исключением оборудования, предназначенного для охлаждения продуктов до температуры не выше минус 50° С		01.01.2020
Агрегатированные централизованные холодильные системы для коммерческого использования производительностью не ниже 40 кВт, в которых содержатся или используются фторсодержащие парниковые газы с ПГП не ниже 150, за исключением каскадных систем, в первичных холодильных контурах которых допускается использование фторсодержащих парниковых газов с ПГП не выше 1500		01.01.2022
Переносные устройства кондиционирования воздуха в помещении (герметичные устройства, перемещаемые по помещению конечным пользователем), в которых содержатся ГФУ с ПГП не ниже 150		01.01.2020
Однозональные установки кондиционирования воздуха, в которых содержится или используется не более 3 кг. фторсодержащих парниковых газов с ПГП не ниже 750		01.01.2025
Пеноматериалы, содержащие ГФУ с ПГП не ниже 150, за исключением отвечающих государственным нормам безопасности	Экструдированный полистирол	01.01.2020
	Другие пеноматериалы	01.01.2023
Промышленные аэрозоли, в которых содержатся ГФУ с ПГП не ниже 150, за исключением отвечающих государственным нормам безопасности или используемых в медицинских целях		01.01.2018

Регламент также содержит требования к маркировке оборудования и ёмкостей для хранения фторсодержащих газов, методам и периодичности проверок герметичности, ведению учета, обучению и сертификации персонала, занимающегося обслуживанием оборудования и сбором хладагента, других мер по предотвращению утечек фторсодержащих газов.

В частности, программы сертификации и обучения должны включать изучение применяемых регламентов и технических стандартов, мер по предотвращению выбросов, методов сбора фторсодержащих парниковых газов, получение навыков безопасного обращение с оборудованием, знание технологий замены или сокращения использования фторсодержащих парниковых газов, а также безопасного обращения с ними. Кроме того, для поощрения применения альтернативных технологий (природных хладагентов, в том числе – СО2), Регламент предписывает включать информацию о них в программу обучения.

Российское законодательство

В Российской Федерации оборот ГХФУ ограничивается, в частности, Федеральным законом от 23.07.2013 г. № 226-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об охране окружающей среды» и отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Закон устанавливает перечень веществ, разрушающих озоновый слой (озоноразрушающих веществ), обращение которых подлежит государственному регулированию, и допустимые объемы производства и потребления таких веществ, вводит запрет на проектирование и строительство объектов хозяйственной и иной деятельности, на которых осуществляется производство озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции.

Законом устанавливаются требования к обращению озоноразрушающих веществ, включающему их производство, использование, транспортировку, хранение, рекуперацию, восстановление, рециркуляцию и уничтожение, а также их ввоз в Российскую Федерацию и вывоз из Российской Федерации.

Федеральным законом предусматриваются экономическое стимулирование прекращения производства и использования озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции, государственный учет обращения озоноразрушающих веществ и государственный надзор за соблюдением требований к их обращению.

Кроме того, Федеральным законом устанавливается административная ответственность за несоблюдение требований при обращении с веществами, разрушающими озоновый слой.

В свою очередь, снижению энергопотребления и увеличению энергоэффективности оборудования посвящен Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», а также другие нормативные документы: прочие федеральные законы, принимаемые в соответствии с ними иные нормативные правовые акты Российской Федерации, а также законы и иные нормативные правовые акты субъектов Российской Федерации, муниципальные правовые акты в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности.

Резюме.

Международные соглашения, законодательство других стран, российские нормативные акты предписывают отказ от использования озоноразрушающих и парниковых газов, а также принятие мер по повышению эффективности использования энергии. В ряде нормативных документов в качестве одной из мер обеспечения исполнения этих требований прямо указывается использование природных хладагентов, в том числе — СО2.

3. СО2 как хладагент, разновидности холодильных установок для использования в магазиностроении

Характеристики СО2

В качестве хладагента диоксид углерода (углекислый газ, СО2) имеет обозначение R744. СО2 применяется в холодильной отрасли с XIX века. Пик популярности СО2 как хладагента пришелся на 1920-30-е годы, после чего он был вытеснен с рынка фреонами. Лишь к концу XX века осознание вреда, наносимого фреонами окружающей среде, привело к возрождению интереса к применению СО2 в системах охлаждения и кондиционирования.

Однако, СО2 представляет интерес не только из-за экологической безопасности (ОРП=0, ПГП=1) негорючести и нетоксичности. Заслуживают внимания и его термодинамические свойствами:

• Высокая теплопроводность
• Относительно низкая вязкость
• Низкая критическая температура (31,1 °С, для сравнения, у ГФУ R-134a эта температура составляет 101,2 °С)
• Высокая температура тройной точки (-56,6 °С, у R-134a — -103 °С)
• Высокая плотность газа, что обеспечивает высокую эффективность теплообмена между хладагентом и воздухом и малую разницу температур хладагента и воздуха ΔT
• Высокие значения давления. Потеря давления в трубопроводе мало влияет на эффективность охлаждения. Это свойство используют при простое системы, когда из-за нагрева давление СО2 в контуре растет. Во избежание превышения максимального давления, на которое  рассчитаны компоненты системы, небольшое количество газа стравливают, снижая давление как за счет уменьшения количества газа, так и понижения температуры в результате расширения выпускаемого газа.
• Высокая объемная производительность, что позволяет уменьшить габариты системы (рис. 1, 2)

Рис. 1. Сравнение габаритов (объема) компрессоров равной производительности, работающих с разными хладагентами

Рис. 2. Сравнение диаметров трубопроводов хладагента в системах равной холодопроизводительности

На рис. 3 приведена фазовая диаграмма для CO2. Кривые, которые разделяют диаграмму на участки, определяют предельные значения давлений и температур для жидкой, твёрдой, паровой или сверхкритиче­ской фаз. Точки на этих кривых определяют давления и соответствующие им температуры, при которых две фазы находятся в равновесном состоянии, например, твёрдая и паровая, жидкая и паровая, твёрдая и жидкая.

При атмосферном давлении CO2 может существо­вать только в твёрдой или паровой фазе.

Жидкость при таком давлении образоваться не может. Ниже –78.4°C CO2 находится в твёрдой фазе — образуется «сухой лёд». При повышении темпе­ратуры «сухой лед» превращается в пар.

При давлении 5.2 бар и темпе­ратуре –56.6°C CO2  достигает «тройной точки». В этой точке все три фазы существуют в равновесном состоянии.

Рис. 3. Фазовая диаграмма СО2

CO2 может использоваться в качестве хладагента как в субкритических, так и в транскритических  холодильных системах. При ис­пользовании CO2 в качестве хладагента необходи­мо учитывать как тройную, так и критическую точку.

В классическом субкритическом холодильном ци­кле, который традиционно используется, например, в большинстве холодильных систем на фреонах, весь диапазон рабочих температур и давлений находится ниже критической точки и выше тройной точки.

Подобные системы на CO2 отличаются простотой, однако при их проектировании и эксплуатации следует учитывать такие факторы, как ограничения температур и высокие значения давления. Рабочее давление в субкритическом цикле на­ходится обычно в диапазоне от 5.7 до 35 бар при соответствующей темпера­туре от–55 до 0°C. Если испаритель оттаивается горячим газом, то значение рабочего давления увеличивается примерно на 10 бар.

Транскритические холодильные системы на CO2 в настоящее время используются только в маленьких и коммерческих холодильных установках. Речь идёт о мобильных системах кондиционирования воздуха, небольших тепловых насосах и системах охлаждения супермаркетов.

Наиболее широко CO2 применяется в каскадных системах. В этом случае диапазон рабочих давлений по­зволяет использовать стандартное оборудование (компрессоры, регуляторы и клапаны), имеющееся в продаже.

Существуют различные виды каскадных холодиль­ных систем на CO2: с непосредственным кипением, с насосной циркуляцией,  с вторичным рассольным контуром, а также комбинации этих систем.

Каскадные системы

Каскадная система состоит из двух изолированных холодильных контуров, сопряженных через каскадный теплообменник. В настоящее время распространение получили системы, в которых в качестве хладагента на низкотемпературной стороне используется СО2, а на высокотемпературной стороне — углеводороды, гидрофторуглероды (ГФУ), или аммиак. Аммиачно-углекислотные каскадные системы имеют самый высокий коэффициент полезного действия. Из ГФУ наиболее предпочтительным является R134а, благодаря термодинамическим свойствам и более низкому (по сравнению с R404A) ПГП. Высокотемпературного хладагента для каскадной системы требуется очень немного (значительно меньше по сравнению с обычной системой аналогичной производительности на том же хладагенте).

При этом рабочее давление CO2 в каскадных системах обычно невысокое — 40-45 бар, что соответствует температуре от +5 до +10°C, а разность температур у каскадного теплообменника — относительно низкая. Такие устройства особенно эффективны в условиях жаркого климата.

На рис. 4 представлена p-h диаграмма каскадного охлаждения с СО2 в низкотемпературном каскаде и R134a — в высокотемпературном.

Рис. 4. Каскадный цикл СО2/R134a

Поток CO2  в низкотемпературном контуре каскадной системы подаётся в испаритель либо благодаря разнице давлений (системы с непосредственным кипением), либо при помощи насоса (рис. 5).

Система с непосредственным кипением хладагента является более простой, так как в ней отсутствует насос и устройства контроля уровня жидкости. Такая система имеет также меньшую заправку хла­дагентом. Недостатком данной схемы является пониженная эффективность из-за более высокого перегрева на всасывании.

Поэтому такая схема обычно используется в небольших холодильных установках.

Рис. 5. Различные виды компоновки каскадных систем

Каскадные системы на CO2 с насосной подачей отличаются высокой эффективностью, а небольшой размер трубо­проводов, как для низкотемпературных, так и для среднетемпературных применений, по сравнению с рассольными системами, делает эти установки уникальными.

Лучшим применением схемы с насосной циркуля­цией являются установки с относительно высокой производительностью. В установках с небольшой или переменной производительностью управление насосами затрудни­тельно.

Транскритические системы

Отличительная черта холодильных систем, использующих транскритический цикл охлаждения, отсутствие в конструкции конденсатора. Вместо него используется газоохладитель.

Это связано с тем, что отвод тепла от хладагента в транскритическом цикле (рис. 6) происходит при температурах, превышающих критическую (31,1 °С), так что конденсации при этом не происходит.

Так как фазовый переход не осуществляется, при прохождении через газоохладитель темпера­тура CO2 продолжает понижаться. Теплоёмкость CO2  при охлаждении также изменяется. Это отличает газоохладитель как от водяных тепло­обменников, где теплоёмкость рабочего вещества постоянна, так и от конденсаторов, где теплоём­кость в газовой фазе относительно низкая, а когда газ начинает конденсироваться — становится очень высокой.

Разница температур между охлаждаю­щей средой и CO2 в газоохладителе обыч­но составляет половину аналогичной разницы температур при конденсации хладагента. Чтобы добиться максимальной производительности, газоохладитель выполняют в виде теплообменника противоточного типа.

Рис. 6. P-h диаграмма транскритического цикла охлаждения

На рис. 7 изображена схема простейшей транс­критической установки, состоящей из компрессора, газоохладителя, испарителя и расширительного устройства.

Простейшим устройством расширения являются, например, дроссельное отверстие или капиллярная трубка. В простейших установках нет регуляторов давления, и они, следовательно, работают при оптимальном высоком давлении и максимальной производительности при данных неизменных условиях работы. Другим вариантом является использование термо­статического клапана для регулирования темпера­туры охлаждения газа.

Рис. 7. Схема простейшей холодильной уста­новки, работающей в транскритическом режиме

Улучшить работу установки позволяет использование внутреннего теплообменника для осуществления теплообмена между всасывающей линией компрессора и нагнетатель­ной линией из газоохладителя. Если в качестве расширительного устройства используется капиллярная трубка, то внутренний теплообменник устанавливается с при­соединением к линии всасывания и припаиванием капиллярной трубки к линии подачи, выходящей из теплообменника.

При изменении внешних эксплуатационных условий (темпе­ратуры окружающей среды, температуры охлаждения в камерах), поток хладагента в системе тоже будет меняться. В результате этого изменится давление в газоохладителе.

Для тех случаев, когда внешние условия в период эксплуатации меняются значительно, необходимо использовать механический или электронный клапан, регу­лирующий высокое давление.

Дополнительно может потребоваться установка ресивера низкого давления для компенсации коле­баний нагрузки на стороне высокого давления.

Рис. 8. Схема транскритической холодильной системы с внутренним теплообменником, термостати­ческим расширительным клапаном в роли расширительного устройства и ресивером низкого давления

Транскритическая бустерная система.

Одной из наиболее перспективных для применения в областях с холодным климатом является транскритическая бустерная система. Она более эконо­мична в сравнении с системами, работающими на фреоне R404a, и в то же время отличается простотой конструкции.

Типичная транскритическая углекислотная бу­стерная система (рис. 9) разделяется на три секции: секция высокого давления, секция среднего давления и секция низкого давления.

Секция высокого давления начинается с компрессо­ра высокого давления (1), проходит через газоохла­дитель (2) и теплообменник на всасывающей линии (3), а заканчивается клапаном регулирования высокого давления (4). Расчетное давление в этой секции, как правило, составляет от 90 до 120 бар.

Система регулирования транскритической системы может быть разделена на четыре группы: управ­ление газоохладителем, управление подачей, управление ресивером и управление производи­тельностью компрессоров.

Секция среднего давления начинается от расшири­тельного клапана высокого давления (4), где поток разделяется на газ и жидкость в ресивере (5).

Газообразная фаза отводится во всасывающую линию компрессора высокого давления через пере­пускной клапан (6). Жидкая фаза подается к рас­ширительным клапанам (7 и 8), где происходит ее расширение перед подачей в низкотемпературный (10) и среднетемпературный (9) испарители.

Рис. 9. Схема транскритической бустерной системы с газовым перепускным клапаном

Газ из низкотемпературного испарителя сжимается в низкотемпературном компрессоре (11) и смеши­вается с газами, поступающими из среднетемпера­турного испарителя и перепускной линии. Отсюда газ подается во всасывающую линию компрессора высокого давления и заполняет контур.

Расчетное давление в среднетемпературной секции обычно составляет 40–45 бар, а в низкотемператур­ной секции — 25 бар. При этом все чаще среднетемпературная и низко­температурная секции рассчитываются на одинаковое давление.

Давление в ресивере регулируется клапаном с шаговым двигателем (6). Давление в ресивере должно быть выше величины, при котором проис­ходит испарение в среднетемпературных испа­рителях, для обеспечения разности давлений на среднетемпературном расширительном клапане (7). С другой стороны, это давление должно быть ниже величины, заложенной при проектировании.

Резюме

СО2 — известен в холодильной отрасли как R744. Это вещество не токсично, не огнеопасно, имеет нулевой озоноразрушающий потенциал (ОРП) и крайне низкий потенциал глобального потепления (ПГП) — 1. Благодаря своим свойствам, СО2 находит все более широкое применение в холодильном оборудовании, в том числе – предназначенном для предприятий торговли.

Торговое холодильное оборудование на СО2 — это, как правило, каскадные и транскритические системы.

В каскадных системах применяются два хладагента: СО2 в низкотемпературном каскаде, углеводороды, ГФУ или аммиак – в высокотемпературном каскаде. При этом конструктивно система схожа с традиционными системами на ГФУ.

В транскритических системах используется только один хладагент — СО2. Отвод тепла от хладагента в таких системах происходит при температурах, превыщающих температуру критической точки. Так как конденсация при этом не происходит, в таких системах нет конденсатора, вместо него устанавливается газоохладитель, как правило, выполняемый в виде теплообменника противоточного типа.

Одной из наиболее перспективных для применения в областях с холодным климатом является транскритическая бустерная система.

5. Примеры реализации систем на CO2, сравнение их по техническим и экономическим показателям с установками на ГФУ

 В качестве примера рассмотрим холодоснабжение гипермаркета, расположенного в г. Бугульма. Город расположен в Приволжском федеральном округе на юго-востоке Республики Татарстан в 300 км от Казани, в самом центре Бугульминско-Белебеевской возвышенности — восточной возвышенной части Восточно-Европейской (Русской) равнины. Среднегодовая температура воздуха — 3,5 °C, среднемесячные температуры представлены в таблице 3.

Таблица 3. Климат Бугульмы

Климат Бугульмы

Янв.

Фев.

Март

Апр.

Май

Июнь

Июль

Авг.

Сен.

Окт.

Нояб.

Дек.

Год

Средняя температура, °C

−11,5

−11,1

−5,3

4,7

12,3

17,3

18,8

16,2

10,9

3,6

−5,2

−10

3,5

Источник: NASA. База данных RETScreen

Холодильная система гипермаркета используется для обеспечения холодом:

• Среднетемпературного оборудования (Ткип = ‑10 °С):
• Торговое оборудование — 25 единиц;
• Холодильные камеры — 13 единиц;
• Низкотемпературного оборудования (Ткип= ‑35 °С):
• Торговое оборудование — 12 единиц;
• Морозильные камеры — 4 единицы.

Работа данного оборудования может обеспечиваться ЦХМ на R404a: среднетемпературной  — холодопроизводительностью 241 кВт, и низкотемпературной — 33 кВт, или же бустерной ЦХМ на СО2 c холодопроизводительностью среднетемературной секции в 115 кВт и низкотемпературной — 16 кВт.

Из таблицы 4 видно, что за год экономия электроэнергии при использовании бустерной системы на R744 составит 454467 кВт*ч  или 55% (если сравнивать с системой на R404a c постоянной температурой конденсации, равной 45 °С). 

Таблица 4. Энергопотребление систем на различных хладагентах, кВт/ч

Месяц	R404a (Tcconst=45 °С)	R404a (Tcvar, ΔT=30 °С)	R744	Экономия по сравнению с R404a (Tcconst=45 °С), %	Экономия по сравнению с R404a (Tcvar, ΔT=30 °С), %
Январь	69289,90	31553,60	17469,10	74,8	44,6
Февраль	62499,50	28437,60	15597,20	75	45,2
Март	69351,40	31614,60	18174,30	73,8	42,5
Апрель	66817,30	32927,50	25488,20	61,9	22,6
Май	69983,80	40717,30	40572,40	42	0,4
Июнь	68687	45379	49593,30	27,8	-9,3
Июль	70821,40	48786	56031,80	20,9	-14,9
Август	70730,40	45475,70	49581,30	29,9	-9
Сентябрь	66903,60	36412,60	34064,60	49,1	6,4
Октябрь	69373,80	32697,70	24322,30	64,9	25,6
Ноябрь	67253,71	30660,80	17782,30	73,6	42
Декабрь	68817,80	31319,90	17386,20	74,7	44,5
Всего за год	820529,61	435983,10	366063,00	55,4	16

Резюме

С учетом постоянно растущих тарифов на электроэнергию, стоимость жизненного цикла системы на R744 окажется меньше, чем у системы на R404a. В случае, если в России будут приняты аналогичные европейским требования к обращению с ГФУ, разница в стоимости жизненного цикла станет еще более заметной.

Кроме того, стоит принять во внимание, что бустерные системы на R744 как нельзя лучше подходят для использования с устройствами утилизации бросового тепла, что обеспечивает дополнительную эвкоммию энергоресурсов.

5. Безопасное обращение c СО2

Концентрация в воздухе

СО2 относится к нетоксичным веществам. Этот газ входит в состав атмосферного воздуха, его содержание в воздухе составляет около 0,04% (400 ppm). Тем не менее, повышение концентрации СО2 во вдыхаемом воздухе негативно отражается на самочувствии человека.

При повышении концентрации СО2 в помещении до 0,5% производится эвакуация (аварийный сигнал 1 уровня).

При 2% – на 50% увеличивается частота дыхания. Такая концентрация является санитарным пределом (аварийный сигнал 2 уровня).

3% - предел воздействия — 10 минут. Частота дыхания увеличивается на 100%.

5% - частота дыхания увеличивается на 300%, после часа пребывания в атмосфере с такой концентрацией возникает головная боль и сильное потоотделение.

8-10% - головная боль после 10-15 минут пребывания, головокружение, тошнота, шум в ушах, увеличение кровяного давления и частоты пульса, возбуждение.

10-18% - после нескольких минут воздействия возможны судороги, схожие с эпилептическим припадком, потеря сознания, резкое понижение давления. Нормальное самочувствие пострадавших моментально восстанавливается на свежем воздухе.

18-20% - симптомы, схожие с инсультом.

Согласно ГН 2.2.5.2100-06) среднесменная ПДК СО2 — 5000 ppm или 9000 мг/м3. Разовая ПДК СО2 – 15000 ppm или 27000 мг/м3 (для R22, согласно ПОТ РМ 015-2000, 500 ppm или 3000 мг/м3).

Практический предел концентрации (ППК) для СО2 составляет 0,07 кг/м3, что в 4-6 меньше ППК ГФУ и ГХФУ. Это важно, так как максимальный объем заправки хладагента в системе, эксплуатирующейся в помещении без вентиляции, вычисляется как ППК*V(объем помещения).

Правила безопасности (выдержка из ПОТ РМ 014-2000)

В зону, концентрация в которой может превышать практический предел, допускается только квалифицированный персонал. Данные зоны (как правило, машинный зал и камеры) должны оснащаться детекторами.

Аварийный сигнал должен быть визуальным и звуковым, и подавать как внутри, так и снаружи помещения.

Вентиляция и сигнализация должны иметь раздельное питание.

Сигнал детектора должен включать вентиляцию и по возможности прекращать подачу газа.

Детектор должен определять концентрацию СО2, а не О2.

Помимо концентрации в воздухе при утечке, фактором опасности при обращении с СО2 является высокое рабочее давление. Для предотвращения аварийных ситуаций необходимы:

• Установка предохранительных клапанов
• Установка реле давлений
• Тщательный подбор места установки и расчет предохранительного клапана (учет возможности снегообразования и закупорки труб сброса).

Кроме того, фактором опасности является температура. Меры предосторожности в данном случае: наличие изоляции и установка информационных табличек.

Резюме.

СО2 не горюч и не токсичен, однако обращение с ним требует соблюдения правил безопасности. Факторами опасности при использовании СО2 являются:

• повышение концентрации в воздухе помещения при утечке,
• высокое давление,
• высокие и низкие температуры.

Понимание и учёт данных особенностей при проектировании установки позволяет нивелировать негативные риски от использования CO2.

6. СО2 и НОРД

Компания “Норд-СМ” в 2015 г освоила проектирование транскритических холодильных систем на СО2 и наладила серийный выпуск холодильных машин на собственной производственной базе.

Учебный центр, расположенный на производственной базе “Норд-СМ”, позволяет проводить обучение и подготовку персонала для эксплуатации и обслуживания холодильных систем на СО2.
Первая в России транскритическая бустерная холодильная машина на СО2 произведена и запущена в работу компанией “Норд-СМ” и установлена в магазине в г. Воскресенск в 2016г.

За прошедшие годы компния накопила огромный опыт в проектировании и производстве установок на диоксиде углерода. Применение СО2 затрагивает не только в поекты мгазиностроения, это:

• камеры хранения РЦ и склдов
• скороморозильные установки
• плиточники
• заморозка мяса и рыбы
• тепловые насосы

Обращайтесь в компанию НОРД с Вашим проектом и мы Вам обязательно поможем.