Odzysk czynnika chłodniczego w pompach ciepła. Dlaczego to istotne i na co trzeba uważać?

Pompy ciepła jako element ogrzewnictwa przyszłości

Współczesna energetyka stoi przed historycznymi wyzwaniami. Globalne dążenie do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych oraz zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego w obliczu niestabilności rynków i kurczących się zasobów paliw kopalnych wymusza gruntowną transformację systemów grzewczych i chłodniczych. Tradycyjne metody ogrzewania, oparte na spalaniu węgla, gazu czy oleju opałowego, stają się coraz mniej realne do utrzymania – zarówno z powodów ekonomicznych, jak i klimatycznych. Dlatego poszukuje się nowych rozwiązań, które trwale zastąpią dotychczasowe źródła energii.

Jednymi z takich źródeł energii, zyskujących w ostatnich latach na popularności, są pompy ciepła. Stanowią one kluczową technologię transformacji energetycznej, wykorzystując odnawialne źródła energii (OZE). Urządzenia te nie wytwarzają ciepła, lecz transportują je z otoczenia – z powietrza, gruntu lub wody – do instalacji grzewczej, wykorzystując do tego czynnik roboczy, działający w obiegu zamkniętym. Dzięki temu użytkownik nie ma potrzeby go stale uzupełniać, ani wymieniać. Jednak pełna ekologiczność wymaga odpowiedzialnego zarządzania czynnikami chłodniczymi używanymi w tych oto obiegach. Substancje te mają wysoki potencjał cieplarniany w przypadku ucieczki do atmosfery. Kluczowe jest zatem rygorystyczne odzyskiwanie czynników podczas instalacji i serwis urządzeń. 

Tworzenie efektu cieplarnianego 

Jednym z głównych problemów dotyczących rozwoju pomp ciepła i stosowanych w nich czynników roboczych jest zamiana ich na takie, które mają niski współczynnik GWP (ang. Global Warming Potential), czyli Potencjał Tworzenia Efektu Cieplarnianego. Mierzy on jak silnie dana masa gazu cieplarnianego przyczynia się do globalnego ocieplenia w określonym okresie czasu. Wskaźnik ten jest miarą względną, ponieważ porównuje wpływ danego gazu do wpływu tej samej masy dwutlenku węgla, dla którego z definicji przyjmuje się GWP równe 1. Wartość GWP zależy od zdolności cząsteczki do pochłaniania ciepła i jej czasu życia w atmosferze, a najczęściej jest podawana dla czasu 100 lat. Czynniki chłodnicze, często mają bardzo wysokie GWP, co czyni ich emisje szczególnie szkodliwymi. Dlatego też, z punktu widzenia ochrony klimatu, kluczowe jest przestawienie się na stosowanie czynników o niskim GWP, takich jak naturalne węglowodory (np. R290).  

Wartości GWP dla czynników chłodniczych i nie tylko

Instytucją, która zajmuje się standaryzacją i klasyfikacją czynników chłodniczych, jest Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Ogrzewnictwa, Chłodnictwa i Klimatyzacji (ASHRAE), założone w 1894 roku, jako globalna organizacja zajmującą się szerzeniem wiedzy technicznej w zakresie instalacji grzewczych, chłodniczych i klimatyzacyjnych. Stowarzyszenie to odpowiada za klasyfikację czynników chłodniczych pod kątem ich bezpieczeństwa, głównie w oparciu o ich palność i toksyczność. Każdemu czynnikowi przyporządkowuje symbol składający się z litery i cyfry, gdzie litera określa toksyczność, a cyfra i litera określają palność.

By zauważyć skalę wpływu czynników chłodniczych, należy je porównać z innymi powszechnie znanymi gazami cieplarnianymi. Czynniki takie jak R410A, choć są F-gazami (ang. F-gases, czyli Fluorinated Greenhouse Gases – fluorowane gazy cieplarniane) i nie występują naturalnie. Posiadają GWP wielokrotnie wyższe niż metan CH₄, czy podtlenek azotu N₂O, które są powszechnie występującymi i naturalnymi gazami cieplarnianymi. To podkreśla wagę minimalizowania emisji z sektora chłodniczego i grzewczego.

Niezależnie od tego, czy używany jest czynnik o niskim, czy wysokim GWP jego emisja jest na tyle szkodliwa w skali klimatycznej, że rygorystyczne procedury odzyskiwania, recyklingu i utylizacji są niezbędne. 

Jak Unia Europejska działa w tej kwestii?

Wpływ Unii Europejskiej na rynek czynników chłodniczych jest znaczący i opiera się na rozporządzeniu 2024/573 z dnia 7 lutego 2024 r. Zaostrza ono znacząco wcześniejsze przepisy dotyczące stosowania F-gazów. Docelowo, do 2050 roku, ma nastąpić prawie stuprocentowa redukcja ilości F-gazów wprowadzanych do obrotu w porównaniu do poziomów z lat 2015–2019. Już do 2030 roku ilość ta zostanie zredukowana o około 70%, co zmusza rynek do szybkiego przestawienia się na alternatywne rozwiązania, o bardzo niskim GWP, takie jak, np. propan (R290). 

Równie kluczowym elementem regulacji są obowiązki związane z obiegiem zamkniętym i odzyskiwaniem czynników. Rozporządzenie nakłada na personel, który instaluje, serwisuje lub demontuje pompy ciepła, wymóg posiadania certyfikatu F-gazowego. Przepisy promują także recykling i regenerację odzyskanych gazów, z dążeniem do maksymalnego wykorzystania już istniejących zasobów. Ponadto, nowa regulacja wprowadza systemy kontroli szczelności instalacji, uzależniając częstotliwość inspekcji od wielkości ładunku czynnika i jego współczynnika GWP. W ten sposób UE z jednej strony ogranicza podaż substancji szkodliwych, a z drugiej maksymalizuje kontrolę nad cyklem życia już używanych gazów.  

Odzyskiwanie czynnika – dlaczego jest takie istotne i kiedy się to robi

Odzyskiwanie czynników chłodniczych z pomp ciepła jest kluczowe ze względów ekologicznych i prawnych. Dokonuje się takiego odzysku zawsze, gdy nastąpi otwarcie hermetycznego obiegu chłodniczego (niezależnie od wieku urządzenia i czasu jego eksploatacji). Odzysk jest niezbędny, aby zapobiec ucieczce F-gazów do atmosfery, co jest priorytetem klimatycznym. Jest to także warunek techniczny recyklingu lub regeneracji czynnika, umożliwiając jego ponowne wykorzystanie.

Musi on nastąpić zawsze wtedy, gdy poważna naprawa lub serwis, wymagają otwarcia układu, po zakończeniu eksploatacji urządzenia (co może nastąpić po 10, 15 czy 20 latach) oraz wtedy, gdy stwierdzi się nieszczelność takiego układu.

Metody odzyskiwania czynnika

1. Parowa  

Jest podstawową techniką odzysku, polegającą na ściągnięciu czynnika ze strony ssawnej instalacji chłodniczej. Procedurę tę zazwyczaj wykonuje się na odłączonym agregacie, choć kluczowe jest otwarcie zaworów umożliwiających swobodny przepływ czynnika. W celu prawidłowego podłączenia, wężyk ze stacji manowakuometru należy podłączyć bezpośrednio do strony ssawnej sprężarki. Drugi wąż manowakuometru podłącza się do wejścia stacji odzysku, natomiast wyjście ze stacji podłącza się bezpośrednio do butli przeznaczonej do odzysku czynnika chłodniczego. Na tym etapie, po upewnieniu się, że wszystkie połączenia są szczelne, można włączyć i wyzerować wagę, aby monitorować ilość odzyskanego gazu. Następnie należy odkręcić wszystkie poszczególne zawory: na butli, na wężach, na manowakuometrze i zawór serwisowy, wpuszczając czynnik do węży ze strony ssawnej. Po tym można uruchomić stację odzysku, która będzie zasysać czynnik w postaci pary, aż ciśnienie w układzie spadnie do wymaganego poziomu.

2. Parowo-cieczowa

Różnica między tą metodą, a wcześniejszą, polega na tym, że technik podłącza wąż wysokiego ciśnienia bezpośrednio do zbiornika ciekłego czynnika, co pozwala na jednoczesne zasysanie zarówno pary, jak i cieczy. Takie podłączenie umożliwia szybsze i bardziej efektywne opróżnienie instalacji, ponieważ czynnik ciekły może częściowo zasilać stację odzysku. W celu umożliwienia prawidłowego obiegu konieczne jest, podobnie jak w metodzie parowej, uprzednie otwarcie wszystkich zaworów elektromagnetycznych normalnie zamkniętych. Dzięki temu czynnik może swobodnie przepływać z całej instalacji do miejsca odzysku. Kolejne etapy procesu są prowadzone identycznie jak w metodzie parowej: monitorowanie wagi, uruchomienie stacji i kontrola spadku ciśnienia. Technika ta jest znacznie bardziej czasowo efektywna niż odzysk samej pary, ale wymaga odpowiedniej budowy instalacji z dedykowanym zbiornikiem.

3. Push and Pull 

Metoda ta wymaga butli wyposażonej w zawór dwudrożny oraz innego schematu podłączenia stacji i węży. Sposób odzysku polega na jednoczesnym wypompowywaniu pary z instalacji i wykorzystaniu tej różnicy ciśnień do wypychania ciekłego czynnika ze zbiornika instalacji do butli. Wężyk wejścia stacji odzysku podłącza się pod zawór parowy butli, a zbiornik ciekłego czynnika z instalacji pod zawór cieczowy butli do odzysku. Stronę tłoczną ze stacji odzysku podłącza się pod stronę ssania agregatu, tworząc pętlę. Aby umożliwić przepływ czynnika z instalacji, należy wkręcić trzpienie zaworów serwisowych aż do pojawienia się ciśnienia na manometrach. Po odkręceniu wszystkich zaworów i wytarowaniu wagi, uruchamia się stację odzysku czynnika chłodniczego. 

Metoda parowa jest stosowana w mniejszych pompach ciepła (np. domowe typu split lub monoblok), parowo-cieczowa w większych systemach i pompach ciepła z dodatkowym zbiornikiem ciekłego czynnika, ponieważ znacząco przyspiesza proces, a z kolei Push and Pull w dużych, komercyjnych lub przemysłowych pompach ciepła o znacznych ładunkach czynnika, gdzie priorytetem jest maksymalne skrócenie czasu pracy.

Operacje te mogą być wykonywane wyłącznie przez techników posiadających aktualny certyfikat F-gazowy. Certyfikowane przedsiębiorstwo musi posiadać atestowany i precyzyjny sprzęt, w tym stacje odzysku, zestawy manometrów oraz wagi z dokładnością do +/- 5 gramów, albo lepsze. Każda odzyskana ilość czynnika musi zostać udokumentowana w protokole odzysku i zarejestrowana. Odzyskany czynnik nie może być ponownie użyty bezpośrednio. Za to może zostać poddany recyklingowi lub przesłany do specjalistycznego zakładu regeneracji. Jeżeli czynnik jest zbyt zanieczyszczony, musi zostać zutylizowany w kontrolowanych warunkach. Rygorystyczne przestrzeganie tych procedur zapewnia bezpieczeństwo techniczne i środowiskowe.

Podsumowanie

Nowoczesne pompy ciepła stanowią strategiczną odpowiedź na globalne wyzwania energetyczne, oferując efektywne i zrównoważone ogrzewanie. Jednakże ekologiczna wartość tej technologii zależy od odpowiedzialnego zarządzania czynnikami chłodniczymi, których negatywny wpływ na klimat mierzy się wskaźnikiem GWP. Jak widzimy, kluczowym elementem tej transformacji jest obowiązkowy odzysk czynników chłodniczych, wymagający certyfikowanych techników i specjalistycznego sprzętu, który musi być dostosowany do zastosowanej metody odzysku. W zależności od wielkości instalacji, technik stosuje metodę parową, parowo-cieczową lub Push and Pull, aby zminimalizować emisje. Przestrzeganie tych regulacji zapewnia, że pompy ciepła spełnią swoją rolę jako technologia, która łączy wysoką efektywność energetyczną z minimalizacją bezpośredniego wpływu na klimat.

Źródła: nordic-sklep.pl, termet.com, sjp.lex.pl, enerad.pl, klimabazar.pl

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Maciej Kulawik